采樣保持開關電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種采樣保持開關電路，其包括時鐘產生子電路、柵壓自舉單元、采樣場效應管及保持電容，其中，采樣保持開關電路還包括襯底選擇子電路，襯底選擇子電路分別與信號輸入端、信號輸出端及采樣場效應管的襯底連接，襯底選擇子電路根據輸入模擬信號與輸出模擬信號的電壓值的大小選擇信號輸入端或信號輸出端連接采樣場效應管的襯底，以消除采樣場效應管的體效應。本發明的采樣保持開關電路減小了采樣場效應管由于柵源電壓隨輸入信號變化產生的非線性，同時消除了采樣場效應管的體效應，進一步提高了采樣場效應管的線性度，提高了采樣保持開關電路的動態范圍。
【專利說明】采樣保持開關電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路領域，更具體地涉及一種對模擬信號進行采樣的采樣保持開關電路。
【背景技術】
[0002]現今高速高精度的ADC (Analog-to-Digital Converter,模數變換器)電路中，采樣保持開關電路是整個轉換器設計的瓶頸，而采樣場效應管又是采樣電路中不可或缺的組成部分，采樣場效應管的速度和精度在很大程度上決定了采樣保持開關電路的整體性能。在深亞微米工藝條件下，連接輸入信號的采樣場效應管連接有柵電壓自舉的結構，以降低采樣場效應管的導通電阻，并降低采樣場效應管的非線性且擴大輸入信號范圍。但隨著采樣頻率的增高，傳統結構的采樣場效應管的線性度不斷下降，制約了采樣保持開關電路的動態范圍，無法滿足高速度，高性能模數轉換器對采樣信號動態性能的要求。
[0003]因此，有必要提供一種改進的采樣保持開關電路來克服上述缺陷。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種采樣保持開關電路，該采樣保持開關電路減小了采樣場效應管由于柵源電壓隨輸入信號變化產生的非線性，同時消除了采樣場效應管的體效應，進一步提高了采樣場效應管的線性度，提高了采樣保持開關電路的動態范圍。
[0005]為實現上述目的，本發明提供一種采樣保持開關電路，其包括時鐘產生子電路、柵壓自舉單元、采樣場效應管及保持電容，所述時鐘產生子電路具有分別和所述柵壓自舉單兀連接的第一輸出端和第二輸出端，且所述第一輸出端和第二輸出端輸出互補的兩時鐘脈沖，所述柵壓自舉單元還分別和外部電源及采樣場效應管連接，所述柵壓自舉單元的兩輸出端分別與采樣場效應管的柵極及一個漏/源極連接，以為所述采樣場效應管提供固定的柵源電壓，信號輸入端與所述采樣場效應管的一個漏/源極連接，以輸入外部模擬信號至所述采樣場效應管，所述采樣場效應管的另一個漏/源極與信號輸出端連接，以輸出采樣后的模擬信號，所述保持電容一端與信號輸出端連接，另一端接地，以保持采樣后的模擬信號；其中，所述采樣保持開關電路還包括襯底選擇子電路，所述襯底選擇子電路分別與所述信號輸入端、信號輸出端及采樣場效應管的襯底連接，所述襯底選擇子電路根據輸入模擬信號與輸出模擬信號的電壓值的大小選擇信號輸入端或信號輸出端連接所述采樣場效應管的襯底，以消除采樣場效應管的體效應。
[0006]較佳地，所述襯底選擇子電路包括比較器、跟隨器、反向器、第一開關及第二開關；所述比較器的反相輸入端與所述信號輸入端連接，其正相輸入端與所述信號輸出端連接，其輸出端與所述跟隨器及反相器的輸入端連接；所述第一開關的一端與信號輸入端連接，所述第二開關的一端與信號輸出端連接，所述第一開關與第二開關的另一端均與所述采樣場效應管的襯底連接；且所述跟隨器的輸出端與所述第一開關的控制端連接，所述反向器的輸出端與所述第二開關的控制端連接。[0007]較佳地，所述第一開關與第二開關均在其控制端的電壓為高電平時閉合，控制端電壓為低電平時斷開。
[0008]較佳地，所述采樣場效應管為N型場效應管。
[0009]較佳地，所述柵壓自舉單元包括第一場效應管、第二場效應管、第三場效應管、第四場效應管、第五場效應管、第六場效應管、第七場效應管、第八場效應管及自舉電容，所述第一輸出端和所述第二場效應管及所述第三場效應管的柵極連接，所述第二輸出端和所述第一場效應管及所述第八場效應管的柵極連接；所述自舉電容的一端分別和所述第一場效應管的漏極及所述第二場效應管的源極連接，所述自舉電容的另一端和所述第四場效應管的漏極及所述第五場效應管的源極連接，所述第五場效應管的漏極通過所述防泄漏子電路及第八場效應管接地，外部電源和所述第三場效應管的源極及第四場效應管的源極連接，第六場效應管的漏極和第七場效應管的源極與所述采樣場效應管的一個漏/源極連接，所述采樣場效應管的柵極分別和所述第五場效應管的漏極及所述第四場效應管的柵極連接。
[0010]較佳地，所述柵壓自舉單元還包括防泄漏子電路，所述防泄漏子電路連接于所述自舉電容和地之間，且所述防泄漏子電路和時鐘產生子電路及外部電源連接，當所述采樣保開關電路由保持切換至采樣時，所述防泄漏子電路切斷所述自舉電容和地之間的連接。
[0011]較佳地，所述防泄漏子電路包括第九場效應管和第十場效應管，且所述第九場效應管的柵極及所述第十場效應管的源極均和外部電源連接，所述第九場效應管的源極和所述第五場效應管的漏極連接，其漏極和所述第八場效應管的源極連接，所述第二輸出端和所述第十場效應管的柵極連接，所述第十場效應管的漏極和所述第八場效應管的源極連接。
[0012]較佳地，所述柵壓自舉單元還包括第十一場效應管，所述第十一場效應管的柵極和所述第四場效應管的柵極、第五場效應管的漏極及所述第九場效應管的源極連接，其漏極和所述第三場效應管的漏極、所述第二場效應管的漏極及所述第五場效應管的柵極連接，其源極和自舉電容的一端連接。
[0013]較佳地，所述第六場效應管和第七場效應管構成一傳輸門，且所述第一輸出端和所述第六場效應管的柵極連接，第二輸出端和所述第七場效應管的柵極連接。
[0014]與現有技術相比，本發明的采樣保持開關電路由于所述襯底選擇子電路分別與所述信號輸入端、信號輸出端及采樣場效應管的襯底連接，使得通過所述襯底選擇子電路選擇信號輸入端或信號輸出端與所述采樣場效應管的襯底連接，在保證所述采樣場效應管的PN結反偏的同時，進而保證了所述采樣場效應管的導通電阻為一個與工藝及外部電源電壓相關的常量，提高了采樣場效應管的線性度，提高了采樣保持開關電路的采樣性能。
[0015]通過以下的描述并結合附圖，本發明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明采樣保持開關電路的電路結構圖。
【具體實施方式】
[0017]現在參考附圖描述本發明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。如上所述，本發明提供了一種采樣保持開關電路，該采樣保持開關電路減小了采樣場效應管由于柵源電壓隨輸入信號變化產生的非線性，同時消除了采樣場效應管的體效應，進一步提高了采樣場效應管的線性度，提高了采樣保持開關電路的動態范圍。
[0018]請參考圖1，圖1為本發明采樣保持開關電路的電路結構圖。本發明的采樣保持開關電路包括時鐘產生子電路、柵壓自舉單元、采樣場效應管MS、保持電容CS及襯底選擇子電路。所述時鐘產生子電路具有分別和所述柵壓自舉單元連接的第一輸出端Kl和第二輸出端K2，且所述第一輸出端Kl和第二輸出端K2輸出互補的兩時鐘脈沖，也即是，當所述第一輸出端Kl輸出為高電平時,所述第二輸出端K2輸出低電平；且所述第一輸出端Kl和第二輸出端K2輸出電平的跳變也是相反的，即當所述第一輸出端Kl輸出的電平由高電平跳變為低電平時，此時所述第二輸出端K2輸出的電平由低電平跳變為高電平。所述柵壓自舉單元還分別和外部電源VDD及采樣場效應管MS連接，所述柵壓自舉單元的兩輸出端分別與采樣場效應管MS的柵極及一個漏/源極(本發明的采樣場效應管MS不分源極與漏極，即其源極與漏極可互換)連接，以為所述采樣場效應管MS提供固定的柵源電壓，從而使得所述采樣場效應管的柵源電壓不隨輸入信號而變化，減小了柵源電壓隨輸入信號變化產生的非線性；信號輸入端VIN與所述采樣場效應管MS的一個漏/源極連接，以輸入外部模擬信號Vin至所述采樣場效應管MS，所述采樣場效應管MS的另一個漏/源極與信號輸出端VOUT連接，以輸出采樣后的模擬信號Vout ;且所述保持電容CS的一端與信號輸出端VOUT連接，另一端接地，從而所述保持電容CS可將所述采樣場效應管MS采樣后輸出的模擬信號Vout保持，以便于后續電路對模擬信號Vout的進一步處理。所述襯底選擇子電路分別與所述信號輸入端VIN、信號輸出端VOUT及采樣場效應管MS的襯底連接，所述襯底選擇子電路根據輸入模擬信號Vin與輸出模擬信號Vout的電壓值選擇信號輸入端VIN或信號輸出端VOUT連接所述采樣場效應管MS的襯底，以削除采樣場效應管MS的體效應。
[0019]具體地，請再結合參考圖1。
[0020]所述柵壓自舉單元包括第一場效應管Ml、第二場效應管M2、第三場效應管M3、第四場效應管M4、第五場效應管M5、第六場效應管M6、第七場效應管M7、第八場效應管M8、自舉電容C及防泄漏子電路；所述第一場效應管Ml的柵極和所述時鐘產生子電路的第二輸出端K2連接，其源極接地，其漏極和所述自舉電容C的一端，第二場效應管M2的源極、第六場效應管M6的源極及第七場效應管M7的漏極共同連接，并形成節點n2 ;所述第二場效應管M2的柵極和第一輸出端Kl連接，其漏極和所述第三場效應管M3的漏極及第五場效應管M5的柵極共同連接，并形成節點nl ;所述第三場效應管M3的柵極和所述第一輸出端Kl連接，其源極和外部電源VDD連接；所述第四場效應管M4的源極和外部電源VDD連接，其柵極和第五場效應管M5的漏極、防泄漏子電路、及采樣場效應管MS共同連接，并形成節點n4，所述第四場效應管M4的漏極和所述第五場效應管M5的源極及所述自舉電容C的另一端連接，并形成節點n3 ;所述第六場效應管M6的柵極和所述第一輸出端Kl連接，其源極和所述第七場效應管M7的漏極連接，其漏極分別和所述第七場效應管M7的源極及采樣場效應管MS連接；所述第七場效應管M7的柵極和第二輸出端K2連接，且所述第六場效應管M6和第七場效應管M7共同構成一傳輸門；所述第八場效應管M8的柵極和第二輸出端K2連接，其源極通過所述防泄漏子電路和節點n4連接，其漏極接地。
[0021]所述采樣場效應管MS的柵極和節點n4連接，且其一個源/漏極和第六場效應管M6的漏極及信號輸入端VIN連接，從而所述自舉電容C經所述節點n4和所述傳輸門為所述采樣場效應管MS提供柵源電壓；其中，所述采樣場效應管MS的另一個源/漏極信號輸出端VOUT連接，從而所述采樣場效應管MS在所述時鐘產生子電路產生的時鐘脈沖的控制下對信號輸入端VIN輸出的模擬信號Vin進行采樣，且將采樣獲得的模擬信號Vout通過所述信號輸出端VOUT輸出；且在本發明的優選實施方式中，所述米樣場效應管為N型場效應管。如前所述，在所述采樣場效應管MS的另一個漏/源極與信號輸出端VOUT之間連接有所述保持電容CS，從而當所述采樣場效應管MS停止對模擬信號Vin的采樣時，所述保持電容CS將采樣獲得后的模擬信號Vout保存于其上。
[0022]所述防泄漏子電路包括第九場效應管M9和第十場效應管M10，且所述第九場效應管M9的柵極及第十場效應管MlO的源極均和外部電源VDD連接，所述第九場效應管M9的源極和第五場效應管M5的漏極連接，其漏極和第八場效應管M8的源極連接，第二輸出端K2和所述第十場效應管MlO的柵極連接，所述第十場效應管MlO的漏極和第八場效應管M8的源極連接；且所述第八場效應管M8和第九場效應管M9的結構特征完全相同，從而可使所述第八場效應管M8的漏源電壓小于外部電源電壓VDD，避免所述第八效應管M8存在耐壓的問題。
[0023]所述襯底選擇子電路包括比較器、跟隨器F0L、反向器INV、第一開關SI及第二開關S2 ;所述比較器的反相輸入端與所述信號輸入端VIN連接，其正相輸入端與所述信號輸出端VOUT連接，其輸出端與所述跟隨器FOL及反相器INV的輸入端連接；所述第一開關SI的一端與信號輸入端VIN連接，所述第二開關S2的一端與信號輸出端VOUT連接，所述第一開關SI與第二開關S2的另一端均與所述采樣場效應管MS的襯底連接；且所述跟隨器FOL的輸出端與所述第一開關SI的控制端連接，所述反向器INV的輸出端與所述第二開關S2的控制端連接，從而所述跟隨器FOL輸出的電壓控制所述第一開關SI的閉合或斷開，所述反向器INV輸出的電壓控制所述第二開關S2的閉合或斷開。且在本發明的優選實施方式中，所述第一開SI關與第二開關S2均在其控制端的電壓為高電平時閉合，控制端電壓為低電平時斷開；從而當所述比較器輸出高電平時，所述第一開關SI閉合，所述第二開關S2斷開，從而所述采樣場效應管MS的襯底與所述信號輸入端VIN連接；而當所述比較器輸出低電平時，所述第一開關SI斷開，所述第二開關S2閉合，所述采樣場效應管MS的襯底與所述信號輸出端VOUT連接。
[0024]在本發明的優選實施方式中，所述柵壓自舉單元還包括第十一場效應管Ml I，所述第H^一場效應管Mll的柵極和節點n4連接，其源極和節點n2連接，其漏極和節點nl連接；通過所述第十場效應管Ml I可防止所述第五場效應管M5存在耐壓的問題，使本發明的采樣保持開關電路運行更可靠。
[0025]下面結合參考圖1，描述本發明的工作原理: [0026]所述米樣保持開關電路處于保持狀態時，第一輸出端Kl輸出為低電平，第二輸出端K2輸出為高電平；此時第一場效應管Ml導通，第六場效應管M6與第七場效應管M7組成的傳輸門截止，使節點n2與信號輸入端VIN斷開，節點n2的電壓通過導通的第一場效應管Ml連接到地；同時節點nl為高電平，第五場效應管M5截止。因為第二輸出端K2輸出為高電平，所以第九場效應管M9與第八場效應管M8導通，第十場效應管MlO截止，從而節點n4的為低電平，使得所述采樣場效應管MS截止，第十一場效應管MlI截止，第四場效應管M4導通，則外部電源電壓VDD通過導通的第四場效應管M4與第一場效應管Ml對電容C充電至VDD - VDS4 - VDSl，其中VDS4、VDSl為第四場效應管M4與第一場效應管Ml的漏源電壓。當所述采樣保持開關電路采樣時，所述第一輸出端Kl輸出為高電平時，第二輸出端K2輸出為低電平，所述第一場效應管Ml截止，第六場效應管M6與第七場效應管M7組成的傳輸門導通并連接信號輸入端VIN，則節點n2的電壓為VIN+VDS6。因為第二輸出端K2輸出為高電平，故第八場效應管M8截止，第十場效應管MlO導通，從而第九場效應管M9瞬時截止，而此時的節點nl為低電平，使第五場效應管M5導通，由于所述自舉電容C的電壓不能瞬時突變，所以此時節點n4的電壓為
[0027]Vn4 = VIN+VDS6+VDD - |VDS4| - VDSl (I)
[0028]從而采樣場效應管MS的柵源電壓VGS為
[0029]VGS = Vn4 — VIN = VDS6+VDD — | VDS4 | - VDSl ^ VDD (2)
[0030]因為電路中的各場效應管皆為開關管，導通時的漏源電壓非常小，所以(2)式約為VDD,即米樣場效應管MS的柵源電壓在米樣時恒為VDD,則米樣場效應管MS在米樣時的導通電阻艮為
[0031 ]
【權利要求】
1.一種采樣保持開關電路，包括時鐘產生子電路、柵壓自舉單元、采樣場效應管及保持電容，所述時鐘產生子電路具有分別和所述柵壓自舉單元連接的第一輸出端和第二輸出端，且所述第一輸出端和第二輸出端輸出互補的兩時鐘脈沖，所述柵壓自舉單元還分別和外部電源及采樣場效應管連接，所述柵壓自舉單元的兩輸出端分別與采樣場效應管的柵極及一個漏/源極連接，以為所述采樣場效應管提供固定的柵源電壓，信號輸入端與所述采樣場效應管的一個漏/源極連接，以輸入外部模擬信號至所述采樣場效應管，所述采樣場效應管的另一個漏/源極與信號輸出端連接，以輸出采樣后的模擬信號，所述保持電容一端與信號輸出端連接，另一端接地，以保持采樣后的模擬信號；其特征在于，還包括襯底選擇子電路，所述襯底選擇子電路分別與所述信號輸入端、信號輸出端及采樣場效應管的襯底連接，所述襯底選擇子電路根據輸入模擬信號與輸出模擬信號的電壓值的大小選擇信號輸入端或信號輸出端連接所述采樣場效應管的襯底，以消除采樣場效應管的體效應。
2.如權利要求1所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述襯底選擇子電路包括比較器、跟隨器、反向器、第一開關及第二開關；所述比較器的反相輸入端與所述信號輸入端連接，其正相輸入端與所述信號輸出端連接，其輸出端與所述跟隨器及反相器的輸入端連接；所述第一開關的一端與信號輸入端連接，所述第二開關的一端與信號輸出端連接，所述第一開關與第二開關的另一端均與所述采樣場效應管的襯底連接；且所述跟隨器的輸出端與所述第一開關的控制端連接，所述反向器的輸出端與所述第二開關的控制端連接。
3.如權利要求2所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述第一開關與第二開關均在其控制端的電壓為高電平時閉合，控制端電壓為低電平時斷開。
4.如權利要求2所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述采樣場效應管為N型場效應管。
5.如權利要求4所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述柵壓自舉單元包括第一場效應管、第二場效應管、第三場效應管、第四場效應管、第五場效應管、第六場效應管、第七場效應管、第八場效應管及自舉電容，所述第一輸出端和所述第二場效應管及所述第三場效應管的柵極連接，所述第二輸出端和所述第一場效應管及所述第八場效應管的柵極連接；所述自舉電容的一端分 別和所述第一場效應管的漏極及所述第二場效應管的源極連接，所述自舉電容的另一端和所述第四場效應管的漏極及所述第五場效應管的源極連接，所述第五場效應管的漏極通過所述防泄漏子電路及第八場效應管接地，外部電源和所述第三場效應管的源極及第四場效應管的源極連接，第六場效應管的漏極和第七場效應管的源極與所述采樣場效應管的一個漏/源極連接，所述采樣場效應管的柵極分別和所述第五場效應管的漏極及所述第四場效應管的柵極連接。
6.如權利要求5所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述柵壓自舉單元還包括防泄漏子電路，所述防泄漏子電路連接于所述自舉電容和地之間，且所述防泄漏子電路和時鐘產生子電路及外部電源連接，當所述采樣保開關電路由保持切換至采樣時，所述防泄漏子電路切斷所述自舉電容和地之間的連接。
7.如權利要求6所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述防泄漏子電路包括第九場效應管和第十場效應管，且所述第九場效應管的柵極及所述第十場效應管的源極均和外部電源連接，所述第九場效應管的源極和所述第五場效應管的漏極連接，其漏極和所述第八場效應管的源極連接，所述第二輸出端和所述第十場效應管的柵極連接，所述第十場效應管的漏極和所述第八場效應管的源極連接。
8.如權利要求7所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述柵壓自舉單元還包括第十一場效應管，所述第十一場效應管的柵極和所述第四場效應管的柵極、第五場效應管的漏極及所述第九場效應管的源極連接，其漏極和所述第三場效應管的漏極、所述第二場效應管的漏極及所述第五場效應管的柵極連接，其源極和自舉電容的一端連接。
9.如權利要求7所述的采樣保持開關電路，其特征在于，所述第六場效應管和第七場效應管構成一傳輸門，且所述第一輸出端和所述第六場效應管的柵極連接，第二輸出端和所述第七場效應管的柵 極連接。
【文檔編號】H03M1/54GK103762986SQ201410019223
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】楊保頂, 鄒錚賢 申請人:四川和芯微電子股份有限公司