專利名稱：帶有內部器件體控件的模擬開關的制作方法
帶有內部器件體控件的模擬開關相關申請的交叉引用本申請要求2010年1月20日提交的美國臨時申請S/N. 61/296，752的權益，該申請出于通用目的通過引用結合于此。附圖簡述參考以下描述以及附圖，將更好地理解本發明的益處、特征和優點，在附圖中

圖1是示出其中器件的體結被硬接線至電源軌線的通用解決方案的常規模擬開關的示意圖；圖2是替代常規模擬開關的示意圖，其解決了圖1的模擬開關的一些問題但導致更為復雜和昂貴的配置；圖3是根據一實施例實現的模擬開關的示意圖，在該實施例中體結電壓至少部分地根據輸入和輸出電壓確定；以及圖4是結合有單刀雙擲(SPDT)開關的集成電路的示意圖和框圖以及相應的SPDT 符號，該SPDT開關使用根據圖3的一個實施例實現的模擬開關。詳細描述呈現以下描述是為了使本領域技術人員能如具體應用的上下文及其要求內提供地作出和使用本發明。然而，優選實施例的各種變體對本領域技術人員將是顯而易見的，并且本文中定義的一般原理可應用于其它實施例。因此，本發明并非旨在限于本文中所示和所述的特定實施例，而是應被授予與本文中所揭示的原理和新穎特征相一致的最寬范圍。模擬開關包括N型晶體管器件和P型晶體管器件的一些配置，諸如并聯耦合的P 溝道和N溝道金屬氧化物半導體(M0Q器件，以便于在一范圍的信號電壓上提供相對一致的導通(ON)電阻，這些信號電壓在本文中示為V+和V-的電源軌線之間延伸。如本領域普通技術人員所理解地，諸如N溝道MOS (NMOQ晶體管器件(也稱為金屬氧化物半導體、場效應晶體管或M0SFET)的N型器件屬于第一導電類型，而諸如P溝道MOS (PMOS)晶體管器件的P型器件屬于第二導電類型。V+通常指高電壓電平，諸如5伏特(V)、4. 5V、3V、2. 5V、1. 8V 等，而V- —般指低電壓電平，諸如接地(GND)，盡管任何其它適當的電壓范圍和電平也是可能和可構想的。MOS器件具有體結，這些體結應當適當控制以便于防止各器件中體漏P-N結或體源P-N結的非有意正向偏壓。這在開關被關斷時是特別重要的，并且開關端子可以處于電源軌線附近或之內的任何電壓電平并且彼此無關。MOS晶體管器件的常規符號具有相對于漏極端子描繪源極端子的箭頭符號，其中該漏極被示為沒有箭頭符號的線。PMOS或P型晶體管器件具有指向體符號(平行線)的箭頭，而NMOS或N型晶體管器件具有從體符號指出的箭頭。兩個器件符號在體符號的相對一側都具有表示控制或柵極端子的另一條線。本發明不限于P型和N型器件的特定類型或配置，其可具有不對稱或對稱的幾何形狀。在本文中所述的和附圖中所示的諸實施例中，所描繪的PMOS和NMOS晶體管器件被對稱構造成漏極和源極之間的區別是任意的。從電學角度而言，P溝道的源極是具有更正電壓電平的端子，而N溝道的源極是具有更負電壓的端子。在其中取決于任何給定時間的操作在輸入端上的電壓可比輸出端子的電壓高或低的模
5擬開關中，源極相對于漏極的位置在附圖中是任意的。箭頭符號的約定在附圖中使用是為了區分P型器件(箭頭指向內)和N型器件(箭頭指向外)，而不是為了在漏極端子和源極端子之間作出區分。參照附圖，每個器件的漏極和源極端子更一般地稱為電流端子。電流端子之間的電流由施加于器件、更具體地施加于器件的柵極或控制端子的電壓控制。術語 “漏極”和“源極”仍然相關于操作期間相對于體結的偏壓來引用。圖1是示出其中器件的體結被硬接線至電源軌線V+或V-的通用解決方案的常規模擬開關100的示意圖。如圖所示，主P溝道開關器件Pl具有耦合至上電壓軌線V+的體結，而主N溝道開關器件m具有耦合至下電壓軌線V-的體結。控制(CONTROL)輸入接通和關斷模擬開關100。CONTROL被提供給反相器101的輸入端，該反相器101具有提供反相控制電壓CONTROL*的輸出(其中星號“*”表示信號的邏輯負)。CONTROL被提供給m的柵極，而CONTROL*被提供給Pl的柵極。Pl和m器件各自的一個電流端子在接收輸入電壓信號SWITCH IN(開關輸入)的輸入節點上耦合在一起，而Pl和m的另一電流端子在提供輸出電壓信號SWITCH OUT(開關輸出)的輸出節點上耦合在一起。V-和V+之間的電壓范圍一般確定電壓信號C0NTR0L、C0NTR0L*、SWITCH IN和SWITCH OUT的電壓開關轉換范圍和邏輯電壓閾值。例如，在V+約為3V而V-為GND的一個實施例中，在1.4V或以上的電壓電平處可確定高邏輯電平，而在0. 5V或以下的電壓電平處可確定低邏輯電平，但是可構想其它電壓范圍和電平。在特定配置中，輸入和輸出電壓信號SWITCH IN和SWITCH OUT可升至 V+以上達容許量，或降至V-以下達容許量。在操作中，當CONTROL為高時，Nl和Pl兩者都導通，從而接通模擬開關100，而當 CONTROL為低時，Nl和Pl兩者都截止，從而關斷模擬開關100。在導通時，SWITCH IN的電壓通過m和PI傳送至輸出SWITCH OUT。此配置確保漏極和源極(電流端子)-體結保持反向偏壓。然而，模擬開關100的配置傾向于使得不想要的泄漏電流最大化，因為取決于輸入和輸出開關端子的電位，體源結和體漏結兩者都可以是反向偏壓的。此外，Pi和m的體效應增大器件的閾值，從而導致開關100接通時電流端子之間的電阻增大。圖2是替代性常規模擬開關200的示意圖，該模擬開關200解決了模擬開關100 的一些問題，但是需要相位調整電路或定時電路來確保正確操作。模擬開關200以與模擬開關100相似的方式包括主開關器件m和PI。該模擬開關進一步包括Ρ溝道體控制晶體管P2、P3和PX以及N溝道體控制晶體管N2、N3和NX。以前面對模擬開關100描述相同的方式，反相器201在其輸入端接收CONTROL，并在其輸出端提供CONTROL*。CONTROL被提供給PX的柵極，而CONTROL*被提供給NX的柵極。上電壓軌線V+被耦合至PX的體結和一個電流端子，而下電壓軌線V-被耦合至NX的體結和一個電流端子。P1-P3的體結在第一公共節點202處耦合在一起，該第一公共節點202被進一步耦合至PX的另一個電流端子以及 P2和P3各自的一個電流端子。m-N3的體結在另一個公共節點204處耦合在一起，該另一個公共節點204被進一步耦合至NX的另一個電流端子以及N2和N3各自的一個電流端子。SWITCH IN被提供給輸入節點206，該輸入節點206被耦合至P2和N2的另一電流端子以及W和Pl各自的一個電流端子。P1、N1、N3和P3的另一電流端子在輸出節點208處耦合在一起，該輸出節點208形成輸出電壓信號SWITCH OUT。第一相位調整電流203具有接收CONTROL*的輸入端和耦合至P1-P3的柵極的輸出端。第二相位調整電流205具有接收 CONTROL的輸入端和耦合至m_N3的柵極的輸出端。
模擬開關200通過將CONTROL斷言為高接通，這導通了主開關器件Pl和附以及體控制器件P2、P3、N2和N3，并且截止了體控制器件NX和PX。模擬開關200通過將CONTROL 斷言為低關斷，以使NX和PX導通以及開關器件P1-P3和m-N3都截止。當開關200被關斷時，開關器件P1-P3的體結通過PX切換至上電壓軌線V+，而m-N3的體端子通過NX切換至下電壓軌線V-。P2和P3具有相同或相似的幾何形狀，而N2和N3具有相同或相似的幾何形狀，從而當開關200被導通時，N溝道簇m-N3的體結以及P溝道簇P1-P3的體結的電位大致在兩個開關端子SWITCH IN和SWITCH OUT的電位之間的中間。具有相同或相似幾何形狀的器件可被稱為是匹配器件。因為開關200接通時兩端的電壓很少超過幾百毫伏 (mV)，所以開關200的配置與模擬開關100相比有效地消除了體效應，由此降低了開關電阻和開關電阻隨信號電平的變化。然而，用于為模擬開關200將開關器件導通和截止的控制信號應當相對于控制體控制器件NX和PX的控制信號仔細調節相位。如圖所示，第一相位調整電路203控制如施加至PX的柵極的CONTROL與用于控制P1-P3的激活的電路203的輸出之間的相對時序。 類似地，第二相位調整電路205控制如施加至NX的柵極的CONTROL*與用于控制m_N3的激活的電路205的輸出之間的相對時序。相位調整電路203和205 —般在開關期間修改操作，從而在開關之后，CONTROL被提供給m-N3的柵極，而CONTROL*被提供給P1-P3的柵極。 相位調整電路203和205傾向于使模擬開關200的實現復雜化。圖3是根據一個實施例實現的模擬開關300的示意圖。以相似方式包括并耦合主開關器件Pl和m以及體控制器件P2、P3、N2和N3。耦合至電源軌線V+和V-的體控制器件NX和PX被消除，并且相位調整電路203和205是不必要的并且也被消除。添加了附加體器件P4、P5、N4和N5。器件PI、P2、P4、NU N2和N4各自的第一電流端子在接收SWITCH IN的輸入節點302處被耦合在一起。Pl和m的另一電流端子連同器件P3、P5、N3和N5各自的一個電流端子在提供SWITCH OUT的輸出節點304處都耦合在一起。Pl的體結被耦合至第一體節點306，該第一體節點306被進一步耦合至P2-P5的體結和P2-P5的另一電流端子。W的體結被耦合至第二體節點308，該第二體節點308被進一步耦合至N2-N5的體結和N2-N5的另一電流端子。CONTROL信號被提供給m_N3的柵極以及反相器301的輸入端，該反相器301具有提供反相控制信號CONTROL*的輸出。CONTROL*被提供至P1-P3的柵極。攜帶SWITCH IN的輸入節點302被進一步耦合至N5和P5的柵極，而攜帶SWITCH OUT 的輸出節點304被進一步耦合至N4和P4的柵極。供電軌線V+和V-不被示為耦合至任一器件，但可以理解為耦合至反相器301的源電壓輸入。此外，V+和V-—般確定信號SWITCH IN、SWITCH OUT、CONTROL和CONTROL*的開關電壓范圍和電平。當模擬開關300被導通(CONTROL為高)時，以關于模擬開關200的相似方式來控制體電壓。當模擬開關300被接通時，SWITCH IN和SWITCH OUT之間的電壓差很少超過幾百mV，這低于典型過程中的開關器件P4和P5或N4和N5的閾值電壓，從而N4、P4、N5和P5
保持截止。然而，當模擬開關300被關斷(CONTROL為低)時，體結不再被切換至電源軌線V+ 和V-。當模擬開關300被關斷時，SWITCH IN和SWITCH OUT之間的電壓差可大到足以導通器件N4、N5、P4或P5的任一個。例如，當SWITCH IN的電壓比SWITCH OUT正足夠量時，P4 和N5被導通而P5和N4被截止。在此情形中，P4將P溝道器件P1-P5的體結切換至SWITCHIN的高電壓以確保這些器件的P-N結不會變成正向偏壓。這將主開關器件Pl的泄漏進一步限制為漏體結的泄漏(而開關100和200的主開關器件的截止泄漏可以是兩個結的截止泄漏)。類似地，N5將N溝道器件m-N5的體結切換至SWITCH OUT的低電壓以確保這些器件的P-N結不會變成正向偏壓。這以相似方式進一步限制主開關器件m的泄漏。當SWITCH OUT的電壓比SWITCH IN正足夠量時，提供相似的優點，其中P4和N5 被截止而P5和N4被導通。在此情形中，P5被導通且將P溝道器件P1-P5的體結切換至 SWITCH OUT的高壓以確保這些器件的P-N結不會變成正向偏壓，而N4被導通且將N溝道器件M-N5的體結切換至SWITCH IN的低壓以確保這些器件的P-N結不會變成正向偏壓。與上述開關100和200相比，主開關器件m和PI的泄漏被減少。一般而言，體控制器件N4、N5、P4和P5被交叉耦合至輸入和輸出節點，從而當模擬開關300被關斷時，P型簇(器件P1-P3)的體結連同附加體控制器件P4和P5的體結被拉至更高電壓電平，而N型簇(器件m-N;3)的體結連同附加體控制器件N4和N5的體結被拉至更低電壓電平以確保這些器件的P-N結不被正向偏壓。此配置確保正確操作，且使不合需要的泄漏電流最小化。模擬開關300消除了對用于如模擬開關200的配置所示控制開關和體控制電路的經仔細調整相位的控制信號的任何需要。此外，模擬開關300消除了至電源軌線的連接，從而與模擬開關100和200相比進一步減少泄漏。圖4是結合有使用根據一個實施例實現的模擬開關的單刀雙擲(SPDT) 401的集成電路(IC)400(例如半導體芯片器件)的示意圖和框圖。圖4還示出用于在示意圖上示出 SPDT開關401的相應SPDT符號411。IC 400包括多個引腳，包括接收高電壓和低電壓V+ 和V-的源電壓引腳。舉例而言，V+可以是正的電源電壓而V-是GND，雖然可構想其它電源電壓范圍和電平。IC 400結合有第一和第二模擬開關403和405，它們各自以基本上與模擬開關300相同的方式配置。每個開關包括開關輸入SW_IN (與模擬開關300的SWITCH IN 相對應)、控制輸入CONTROL (與模擬開關300的CONTROL輸入相對應)、以及開關輸出SW_ OUT (與模擬開關300的SWITCH OUT相對應)。IC 400包括接收公共輸入信號COM的輸入引腳，該公共輸入信號COM被提供給模擬開關403和405各自的SW_IN輸入。IC 400包括接收控制輸入信號CTL的另一輸入引腳，該控制輸入信號CTL被提供給非反相緩沖器407 的輸入端和反相器409的輸入端。緩沖器407的輸出被提供給模擬開關403的CONTROL輸入端，而反相器409的輸出被提供給模擬開關405的CONTROL輸入端。模擬開關403的SW_ OUT輸出被提供給第一輸出引腳，該第一輸出引腳提供常開輸出N0，而模擬開關405的SW_ OUT輸出被提供給第二輸出引腳，該第二輸出引腳提供常閉輸出NC。控制信號CTL觸發模擬開關403和405的激活，其中反相器409使模擬開關之一在另一開關截止時導通，反之亦然。非反相緩沖器407插入與反相器409的延遲相當的類似延遲。如由SPDT符號411所示，當CTL為低時，COM被耦合至NC輸出；而當CTL為高時， COM被切換和耦合至NO輸出。模擬開關403獨立地實現常開的單刀單擲(SPST)開關，而模擬開關405獨立地實現常閉的SPST開關。提供緩沖器407和反相器409是為了將兩個模擬開關403和405作為組合SPDT開關來全體操作。本領域技術人員可以理解，許多其它開關配置是已知和可構想的。盡管已參照本發明的特定優選版本相當詳細地描述了本發明，但其它版本和變體是可能和可構想的。本領域技術人員應當理解，他們能夠容易地使用所揭示的概念和具體
8實施例作為設計或修改用于提供本發明相同目的的基礎，而不背離如所附權利要求所定義的精神和范圍。
權利要求
1.一種模擬開關，包括第一開關器件簇，具有耦合在輸入和輸出節點之間的電流端子，由控制輸入控制的第一控制端子，以及第一體結；第二開關器件簇，具有耦合在所述輸入和輸出節點之間的電流端子，由所述控制輸入控制的第二控制端子，以及第二體結；多個第一體控制器件，各自具有耦合至所述輸入和輸出節點之一的第一電流端子，耦合至所述輸入和輸出節點的另一個的控制端子，以及耦合至所述第一開關器件簇的所述第一體結的第二電流端子；以及多個第二體控制器件，各自具有耦合至所述輸入和輸出節點之一的第一電流端子，耦合至所述輸入和輸出節點的另一個的控制端子，以及耦合至所述第二開關器件簇的所述第二體結的第二電流端子。
2.如權利要求1所述的模擬開關，其特征在于，所述第一開關器件簇和所述多個第一體控制器件各自包括多個第一導電類型的器件，所述第二開關器件簇和所述多個第二體控制器件各自包括多個第二導電類型的器件。
3.如權利要求1所述的模擬開關，其特征在于，所述第一開關器件簇和所述多個第一體控制器件各自包括多個P型晶體管器件，而所述第二開關器件簇和所述多個第二體控制器件各自包括多個N型晶體管器件。
4.如權利要求1所述的模擬開關，其特征在于 所述多個第一體控制器件包括第一導電類型的第一器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子，以及耦合至所述輸出節點的控制端子；以及所述第一導電類型的第二器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子，以及耦合至所述輸入節點的控制端子；以及其中所述多個第二體控制器件包括第二導電類型的第一器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子，以及耦合至所述輸出節點的控制端子；以及所述第二導電類型的第二器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子，以及耦合至所述輸入節點的控制端子。
5.如權利要求4所述的模擬開關，其特征在于，所述第一導電類型的第一和第二器件各自具有耦合至所述第一體結的體結，而所述第二導電類型的第一和第二器件各自具有耦合至所述第二體結的體結。
6.如權利要求1所述的模擬開關，其特征在于 所述第一開關器件簇包括第一導電類型的第一器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述輸出節點的第二電流端子，接收反相控制信號的控制端子，以及所述第一體結；所述第一導電類型的第二器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子，接收所述反相控制信號的控制端子，以及耦合至所述第一體結的體；以及所述第一導電類型的第三器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子，接收所述反相控制信號的控制端子，以及耦合至所述第一體結的體；以及其中所述第二開關器件簇包括第二導電類型的第一器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述輸出節點的第二電流端子，接收非反相控制信號的控制端子，以及所述第二體結；所述第二導電類型的第二器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子，接收所述非反相控制信號的控制端子，以及耦合至所述第二體結的體；以及所述第二導電類型的第三器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子，接收所述非反相控制信號的控制端子，以及耦合至所述第二體結的體。
7.如權利要求6所述的模擬開關，其特征在于，所述第一導電類型的所述第二和第三器件彼此匹配，且所述第二導電類型的所述第二和第三器件彼此匹配。
8.如權利要求6所述的模擬開關，其特征在于 所述多個第一體控制器件包括第一導電類型的第四器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子和體，以及耦合至所述輸出節點的控制端子；以及所述第一導電類型的第五器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第一體結的第二電流端子和體，以及耦合至所述輸入節點的控制端子；以及其中所述多個第二體控制器件包括第二導電類型的第四器件，具有耦合至所述輸入節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子和體，以及耦合至所述輸出節點的控制端子；以及所述第二導電類型的第五器件，具有耦合至所述輸出節點的第一電流端子，耦合至所述第二體結的第二電流端子和體，以及耦合至所述輸入節點的控制端子。
9.如權利要求8所述的模擬開關，其特征在于，所述第一導電類型包括P型，而所述第二導電類型包括N型。
10.一種集成電路，包括 多個引腳；以及至少一個集成模擬開關，各自包括第一開關器件簇，具有耦合在輸入和輸出節點之間的電流端子，由控制信號控制的第一控制端子，以及第一體結；第二開關器件簇，具有耦合在所述輸入和輸出節點之間的電流端子，由所述控制信號控制的第二控制端子，以及第二體結；多個第一體控制器件，各自具有耦合至所述輸入和輸出節點之一的第一電流端子，耦合至所述輸入和輸出節點的另一個的控制端子，以及耦合至所述第一開關器件簇的所述第一體結的第二電流端子；以及多個第二體控制器件，各自具有耦合至所述輸入和輸出節點之一的第一電流端子，耦合至所述輸入和輸出節點的另一個的控制端子，以及耦合至所述第二開關器件簇的所述第二體結的第二電流端子；以及其中所述輸入和輸出節點與所述多個引腳的第一和第二引腳通過接口連接。
11.如權利要求10所述的集成電路，其特征在于，所述至少一個集成模擬開關包括被配置為常開的單刀單擲開關的第一模擬開關，以及被配置為常閉的單刀單擲開關的第二模擬開關。
12.如權利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述多個引腳包括接收所述控制信號的控制引腳，其中所述第一模擬開關的所述控制輸入接收所述控制信號，且其中所述第二模擬開關的所述控制輸入接收所述控制信號的反相版本。
13.如權利要求10所述的集成電路，其特征在于，所述第一開關器件簇和所述多個第一體控制器件各自包括多個第一導電類型的器件，而所述第二開關器件簇和所述多個第二體控制器件各自包括多個第二導電類型的器件。
14.一種提供模擬開關的內部器件體控制的方法，包括導通第一導電類型的第一模擬開關器件并導通第二導電類型的第二模擬開關器件以將輸入和輸出節點耦合在一起，并截止所述第一和第二模擬開關器件以使所述輸入和輸出節點彼此隔離；當所述第一和第二模擬開關器件被導通時，將所述第一模擬開關器件的體結耦合在所述輸入和輸出節點之間，并將所述第二模擬開關器件的體結耦合在所述輸入和輸出節點之間；當所述第一和第二模擬開關器件被截止時，當所述輸入節點的電壓電平超出所述輸出節點的電壓電平達預定閾值時，將所述第一模擬開關器件的體結耦合至所述輸入節點并且將所述第二模擬開關器件的體結耦合至所述輸出節點；以及當所述第一和第二模擬開關器件被截止時，當所述輸出節點的電壓電平超出所述輸入節點的電壓電平達所述預定閾值時，將所述第一模擬開關器件的體結耦合至所述輸出節點并且將所述第二模擬開關器件的體結耦合至所述輸入節點。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于所述將所述第一模擬開關器件的體結耦合至所述輸入節點包括激活耦合在所述第一模擬開關器件的體結與所述輸入節點之間的所述第一導電類型的第一器件；其中所述將所述第二模擬開關器件的體結耦合至所述輸出節點包括激活耦合在所述第二模擬開關器件的體結與所述輸出節點之間的所述第二導電類型的第一器件；其中所述將所述第一模擬開關器件的體結耦合至所述輸出節點包括激活耦合在所述第一模擬開關器件的體結與所述輸出節點之間的所述第一導電類型的第二器件；以及其中所述將所述第二模擬開關器件的體結耦合至所述輸入節點包括激活耦合在所述第二模擬開關器件的體結與所述輸入節點之間的所述第二導電類型的第二器件。
全文摘要
一種用于模擬開關的體控制裝置，用于使泄漏電流最小化并將PN結保持為反向偏壓。該模擬開關具有耦合在輸入和輸出節點之間且由控制輸入控制的第一和第二開關器件簇，該第一和第二開關器件簇各自具有相應的體結。體控制裝置包括各自由輸入和輸出節點之一控制的體控制器件，用于將體結耦合至輸入和輸出節點的另一個。每個開關器件簇可包括主開關和體器件，體器件在模擬開關接通時使主開關的體結保持在輸入和輸出節點之間的電壓電平上。當模擬開關關斷時，體控制裝置在跨輸入和輸出節點兩端的電壓升高時激活以將體結保持在所需電壓電平。
文檔編號H03K17/687GK102158212SQ20101060237
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年1月20日
發明者R·W·韋伯 申請人:英特賽爾美國股份有限公司