一种低压模拟开关电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种低压模拟开关电路。

背景技术

在集成电路设计中，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)模拟开关经常被应用于各类信号传输过程的路径切换中。模拟开关可以通过时钟信号实现通断控制，从而使得输入端的输入信号周期性的从输出端导出。

现有技术中经常使用的模拟开关电路，会受到MOS管衬偏效应的影响，随着输入端电压的增大导致模拟开关电路阈值电压的升高。为了在输入端电压较高的情况下，仍然保持模拟开关电路的正常工作状态，需要为模拟开关电路提供较高的工作电压，以防止模拟开关电路无法正常工作。换言之，为了有效的驱动模拟开关电路的工作，现有技术中的电路需要较高的工作电压，功耗较高，对前级电路驱动性能的要求也较高。

因此，亟需一种新的低压模拟开关电路。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种新的模拟开关电路，通过增加第一衬底控制单元和第二衬底控制单元，分别在开关管开启和关闭的情况下，实现对于开关管衬底电压的控制。

本发明采用如下的技术方案。

一种低压模拟开关电路，其中包括模拟开关单元、与模拟开关单元分别连接的第一衬底控制单元和第二衬底控制单元；第一衬底控制单元，用于将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的一端连接，以降低模拟开关单元的工作电压；第二衬底控制单元，用于将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与总线电压连接，以提高模拟开关单元的开关阻抗。

优选地，当模拟开关单元导通时，第一衬底控制单元闭合，第二衬底控制单元关断；当模拟开关单元断开时，第一衬底控制单元关断，第二衬底控制单元闭合。

优选地，第一衬底控制单元，控制高端开关管Mp1的漏极和衬底连接，以使得源衬电势差大于0；或者，控制高端开关管Mp1的源极和衬底连接，以消除高端开关管Mp1的衬偏效应。

优选地，第一衬底控制单元，控制低端开关管Mn1的源极和衬底连接，以消除低端开关管Mn1的衬偏效应；或者，控制低端开关管Mn1的漏极和衬底连接，以使得源衬电势差小于0。

优选地，第一衬底控制单元将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的输出端连接；并且，当模拟开关单元的输入端电压高于输出端电压时，高端开关管Mp1的漏极和衬底连接，低端开关管Mn1的源极和衬底连接；当模拟开关单元的输入端电压低于输出端电压时，高端开关管Mp1的源极和衬底连接，低端开关管Mn1的漏极和衬底连接。

优选地，当模拟开关单元的输入端电压高于输出端电压时，高端开关管Mp1的阈值电压为

优选地，当模拟开关单元的输入端电压低于输出端电压时，高端开关管Mp1的阈值电压为V

优选地，模拟开关单元的阈值电压为V

优选地，模拟开关单元的工作电压大于等于模拟开关单元的阈值电压V

优选地，第一衬底控制单元，在模拟开关单元断开时，控制高端开关管Mp1的衬底接入工作电压V

优选地，第一和第二衬底控制单元中控制模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的输出端连接的元件为CMOS传输门；第一和第二衬底控制单元中控制模拟开关单元中模拟开关管的衬底分别与工作电压V

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种新的模拟开关电路，能够通过增加第一衬底控制单元和第二衬底控制单元，分别在开关管开启和关闭的情况下，实现对于开关管衬底电压的控制，以通过对MOS管衬底电压的控制确保开关管在开启时减小开关管的阈值电压，在开关管关断时增大开关管的开关阻抗。因此，本发明中的模拟开关电路，应用范围更广，可以有效的适配于驱动电压较低的电路。同时，本发明中的电路不会受到输入、输出电压的影响而导致开关管阈值电压升高，有效的克服了衬偏效应。

本发明的有益效果还包括：

1、由于本发明中的衬底选择单元只选择输入电压和输出电压的一端进行连接，从而确保了无论输入输出电压哪个更大，都可以确保两个开关管在衬底选择单元的作用下保持阈值电压的降低或不变，并不会使得阈值电压存在升高的情况。因此，完全确保了已经开启的开关管不会再在阈值电压升高的作用下发生关断的反复情况。大幅降低了电路从启动到稳定的时间，同时也为各个开关管和衬底选择单元中各个元件参数的选择提供了更大的范围。

2、本发明相对于现有技术中的复杂情况，减少了辅助开关的使用数量，同时取得了缩短电路启动时间，防止振荡，稳定导通电阻，提高导通电阻平坦度等意想不到的技术效果。

附图说明

图1为现有技术中一种低压模拟开关电路的结构示意图；

图2为现有技术中另一种低压模拟开关电路的结构示意图；

图3为本发明中一种低压模拟开关电路的结构示意图；

图4为本发明一种低压模拟开关电路中采用MOS管模拟开关实现控制开关的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1为现有技术中一种低压模拟开关电路的结构示意图。如图1所示，现有技术中的一种低压模拟开关电路，包括高端开关管Mp1和低端开关管Mn1，反相器Inv1。其中，高端开关管和低端开关管采用并联方式连接，且其栅极分别接入使能信号EN和经过反相器Inv1的反向使能信号EN_Bar。另外，高端开关管Mp1的衬底接入工作电压Vcc，低端开关管Mn1的衬底接入低电平GND。

另外，两个开关管并联后，一端作为开关电路的输入端，另一端作为开关电路的输出端。

在这一电路中，高端和低端开关管Mp1和Mn1分别基于使能信号和反向使能信号实现导通和关断状态的切换。随着电路输入端电压V

在这一公式中，V

根据上述两个公式，可以明确的获知，当电路输入端电压V

图2为现有技术中另一种低压模拟开关电路的结构示意图。如图2所示，现有技术中的另外一种模拟开关电路，在一主开关Mn4或Mp4上分别连接有三个辅助开关，其中辅助开关Mn1和Mp1，用来连接主开关的衬底和主开关的工作电压，例如Vcc或者地电位Vss。这两个辅助开关通过SPG和SNG信号的控制来实现接入。具体来说，SPG和SNG两个信号是与PG和NG信号反向且基本同步的。

也就是说，当PG信号为高电压，NG信号为低电压时，电路中的主开关截止的情况下，SPG和SNG两个信号是分别为低电平和高电平，此时Mp4主开关的衬底通过Mp1与电源电压Vdd连接，实现对Mp4主开关衬底电压的控制，而同时，Mn1也导通了主开关Mn4与Vss的连接，将Mn4的衬底电压降低为0V。

由于PG和NG信号与SPG和SNG信号完全反向，因此PG与NG信号使得主开关上另外的四个辅助开关，即Mn2、Mn3、Mp2和Mp3是关断的。因此，信号的关断使得主开关不会受到这四个开关的影响而在导通时，执行正常的工作状态。

另一方面，当NG和PG信号发生电平切换，使得高低主开关管分别导通之后，本发明中的电路Mp1和Mn1会导通，Mn2、Mn3、Mp2和Mp3是导通的。现有技术中将Mn2和Mn3、Mp2和Mp3的尺寸分别设置成同样的状态，因此，当上述辅助开关管导通时，主开关的衬底电位则可以连接到

可以理解的是，当开关电路启动时，其输入电压和输出电压都会从0V逐渐升高。因此，在这一过程中主开关的衬底电压为根据输入和输出电压的取值而发生变化。对于Mp4来说，当Mp4导通时，Mp4的辅助开关Mp2和Mp3也随之导通，此时由于Mp2和Mp3的尺寸相同，所以Mp4的衬底电压为

这一阈值电压会随着输入电压和输出电压的变化而发生变化，通常来说，无论输入电压大于输出电压还是输出大于输入时，阈值电压都会减小。

然而，这种电路仍然存在一定的问题。当开关电路启动时，输入输出电压仍然没有实现稳定变化的情况下，输入电压和输出电压较低时，会使得Mp4以及Mp2和Mp3的源漏极电压均较低，此时尽管上述MOS管的栅极电压很低，由于栅源电压差非常小，管子均被关断。当Mp2和Mp3关断时，Mp4的衬底处于悬空状态，即Mp4衬底为高阻态。当Mp4衬底处于高阻态时，Mp4非常容易受到干扰，干扰可能来自电源电压Vdd或者地电位中的噪声。当Mp4管受到干扰后，Mp4的阈值电压V

可见，在PMOS开关管输入端电压从0V逐渐升高的过程中，可能会随着阈值电压的变化，而发生导通和关断的多次切换，并使得整个电路的导通电阻Ron发生波动。

另一方面，NMOS开关管也存在相似的问题，当NMOS开关管两端的输入输出电压在不稳定的情况下发生变化时，也可能导致Mn4的源极和衬底之间的电压差变化为

可见，这种技术方案虽然能够在一定程度上降低电路的阈值电压，但是仍然存在开关管阈值电压升高的可能性，并会使得模拟开关从开启到稳定状态的时间较长。经过分析可以获知，产生这一问题的根本原因在于，主开关管Mp4的衬底控制电路中只包括两个PMOS管，而主开关管Mn4的衬底控制电路中只包括两个NMOS管。由于同一类型的MOS管的阈值电压受到电路中相应参数影响后发生的变化均是同方向的，因而使得电路出现了上述问题。

为了解决这一问题，使得模拟开关电路能够适应于更多的低压驱动电路，并且消耗较少的功率，本发明提出了一种新的技术方案。

图3为本发明中一种低压模拟开关电路的结构示意图。如图3所示，一种低压模拟开关电路，其中，电路包括模拟开关单元、与模拟开关单元分别连接的第一衬底控制单元和第二衬底控制单元；第一衬底控制单元，用于将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的一端连接，以降低模拟开关单元的工作电压；第二衬底控制单元，用于将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与总线电压连接，以提高模拟开关单元的开关阻抗。

可以理解的是，本发明中的模拟开关电路，与现有技术中经常使用的模拟开关电路的结构类似，都包括高端开关管Mp1和低端开关管Mn1。与现有技术中不同的是，本发明中在高端开关管和低端开关管上连接有两个控制单元，即第一衬底控制单元和第二衬底控制单元。

具体来说，本发明中的衬底控制单元能够实现开关管衬底分别与多个不同电压端信号的连接或断开。通过对开关管衬底电压的分别控制，从而控制了开关管的工作状态。例如，一方面，本发明能够通过第一衬底控制单元，降低或消除开关管上存在的衬偏效应，从而降低开关管的工作电压。另一方面，本发明能够通过第二衬底控制单元，使开关管工作于夹断状态，从而提高开关管的导通阻抗。

本发明中，模拟开关单元的一端可以是模拟开关单元的输入端，也可以是模拟开关单元的输出端。由于本发明中，模拟开关单元中高端开关管、低端开关管与电路中的其他部分是完全对称连接的，因此，高端开关管和低端开关管会根据模拟开关单元两端的电压大小的不同情况，而在不同状况下实现不同的导通方式，因此，两个MOS管的源极和漏极并非是完全确定的，而是根据电路的具体工作情况随时变化的。当一端的电压大于另一端的电压时，高电压的一端自动成为输入端，另一端成为输出端。而当电压大小发生变化时，电路中输入端和输出端也会发生互换。在这种前提下，PMOS管和NMOS管的源极和漏极，也会根据输入输出端之间电流的流经方向而被自动的确定下来。

另外，总线电压是指芯片或集成电路的BUS线路电压。在现有技术中，PMOS管的衬底通常与电源电压Vcc连接，本发明中也将其称之为工作电压，而NMOS管的衬底则通常与地电位GND连接。

本发明中通过第一和第二衬底控制单元实现对于工作电压降低和对于开关阻抗提高的具体原理将在后文中进行叙述。

优选地，当模拟开关单元导通时，第一衬底控制单元闭合，第二衬底控制单元关断；当模拟开关单元断开时，第一衬底控制单元关断，第二衬底控制单元闭合。

可以理解的是，本发明中，当模拟开关单元导通时，使能信号EN为0V，而反向使能信号EN_Bar则变为电源电压Vcc。根据上述两个信号的控制，电路中的第一衬底控制单元会实现闭合，也就是，图2中的开关S2和S3会实现闭合。具体来说，图2中的开关S2的一端与模拟开关单元的输出端连接，另一端与开关管Mp1的衬底连接，控制端与反相器的输出端，即反向使能信号EN_Bar连接。开关S3与低端开关管Mn1的连接方式与上述内容类似。

同时，当模拟开关单元导通时，根据使能信号EN和反向使能信号EN_Bar的控制，本发明中的第二衬底控制单元则是关断的。也就是，图2中的开关S1和S4均处于断开状态。图3中的开关S1的一端与开关管Mp1的衬底连接，另一端与电源电压Vcc连接，控制端与使能信号EN连接。类似的，开关S4的一端与开关管Mn1的衬底连接，另一端与地电位连接。

另一方面，当模拟开关单元切换到断开状态时，使能信号EN和反向使能信号EN_Bar的状态发生切换，使能信号变为高电平Vcc，反向使能信号变为低电平0V。此时，在使能信号和反向使能信号的控制下，第一和第二衬底控制单元的状态发生转变，第一衬底控制单元断开，第二衬底控制单元闭合。也就是，图2中的开关S1至S4的状态均发生变化。

优选地，第一衬底控制单元，控制高端开关管Mp1的漏极和衬底连接，以使得源衬电势差大于0；或者，控制高端开关管Mp1的源极和衬底连接，以消除高端开关管Mp1的衬偏效应。

可以理解的是，如前文所述，本发明中的第一衬底控制单元只在开关管导通的状态下进行工作，而在开关管关断的情况下，不对电路造成影响。因此，可以理解第一衬底控制单元对于电路进行控制的时间区间为开关管导通时间。

此时，随着模拟开关单元中输入端和输出端电压大小的不同，两个开关管将分别工作于两种不同的状态。

首先，本发明针对图3中所示的输入端电压V

一种情况下，对于高端开关管Mp1来说，当输入端电压V

然而，存在另一种情况，当输入端电压V

优选地，第一衬底控制单元，控制低端开关管Mn1的源极和衬底连接，以消除低端开关管Mn1的衬偏效应；或者，控制低端开关管Mn1的漏极和衬底连接，以使得源衬电势差小于0。

与PMOS管的第一种情况同时发生的是，当输入端电压V

与PMOS管的另一种情况同时发生的是，当输入端电压V

由于本发明中的衬底选择单元只选择输入电压和输出电压的一端进行连接，从而确保了无论输入输出电压哪个更大，都可以确保两个开关管在衬底选择单元的作用下保持阈值电压的降低或不变，并不会使得阈值电压存在升高的情况。因此，完全确保了已经开启的开关管不会再在阈值电压升高的作用下发生关断的反复情况。大幅降低了电路从启动到稳定的时间，同时也为各个开关管和衬底选择单元中各个元件参数的选择提供了更大的范围。

优选地，第一衬底控制单元将模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的输出端连接；并且，当模拟开关单元的输入端电压高于输出端电压时，高端开关管Mp1的漏极和衬底连接，低端开关管Mn1的源极和衬底连接；当模拟开关单元的输入端电压低于输出端电压时，高端开关管Mp1的源极和衬底连接，低端开关管Mn1的漏极和衬底连接。

可以理解的是，本发明中第一衬底控制单元可以选择模拟开关单元的一端进行连接，在本发明一实施例中，则采用与输出端连接的方式实现。在这种实现方式下，如前文所述，随着输入端电压和输出端电压大小的不同，开关管的源极和漏极会自动发生互换，且流经MOS管的源漏电流的方向也会随之改变。

优选地，当模拟开关单元的输入端电压高于输出端电压时，高端开关管Mp1的阈值电压为

可以理解的是，本发明中，阈值电压代入计算公式可得两个MOS管取值分别相对于初始阈值电压有所降低或不变。

优选地，当模拟开关单元的输入端电压低于输出端电压时，高端开关管Mp1的阈值电压为V

与本发明中第一种情况类似的是，在第二种工作情况下，两个MOS管的工作状态虽然发生了变化，但是其阈值电压也是相较于初始电压来说一个不变，另一个有所降低。

优选地，模拟开关单元的阈值电压为V

如上文中所示，模拟开关单元的阈值电压在两种情况下，均小于初始阈值电压在同方向上的加总。

优选地，模拟开关单元的工作电压大于等于模拟开关单元的阈值电压V

为了使得模拟开关单元能够正常工作，加载在电路中的电源电压最小也应当能够超过两个开关管的阈值电压在同一个方向上的加总。在本发明中，将两个阈值电压的大小在同一方向上进行加总，就可以得到工作电压，也即电源电压的最小可行值为V

上文中详细的阐述了当第一衬底控制单元闭合而第二衬底控制单元断开时电路的工作状态。需要说明的是，当电路中模拟开关电路处于关断状态的情况下，电路为了实现有效的关断，还提供了第二衬底控制单元执行工作的状态。

优选地，第一衬底控制单元，在模拟开关单元断开时，控制高端开关管Mp1的衬底接入工作电压V

可以理解的是，当第一衬底控制单元断开时，S2和S3两个开关均断开，同时S1和S4两个开关均闭合。在这种情况下，电路中开关管的源极或漏极均不再与开关管的衬底连接了。同时，PMOS管的衬底与电源电压Vcc连接。由于此时，使能信号的电压也为Vcc，则PMOS管在衬底电压与栅极电压的共同作用下发生夹断，使得PMOS管具有很高的导通阻抗。

同样的，对于NMOS管来说，其衬底电压接入了地电位，其栅极电压接入了此时为0V的反向使能信号。在这种情况下，NMOS管的衬底和栅极均为低电压，也将NMOS管夹断，使得NMOS管具有很高的导通阻抗。

需要说明的是，本发明中的第一衬底控制单元和第二衬底控制单元可以基于MOS管实现，也可以基于CMOS传输门来实现，或者是现有技术中经常使用的任何开关类型。

优选地，第一和第二衬底控制单元中控制模拟开关单元中模拟开关管的衬底与模拟开关单元的输出端连接的元件为CMOS传输门；第一和第二衬底控制单元中控制模拟开关单元中模拟开关管的衬底分别与工作电压V

图4为本发明一种低压模拟开关电路中采用MOS管模拟开关实现控制开关的结构示意图。如图4所示，本发明一个实施例中，采用了CMOS传输门来实现第一和第二衬底控制单元中的开关S2和S3。例如，在高端开关管的衬底和模拟开关单元的输出端之间接入CMOS传输门，并在低端开关管的衬底和模拟开关单元的输出端之间接入CMOS传输门。为了实现对于开关S2和S3的控制，可以通过反向使能信号EN_Bar和使能信号EN分别控制CMOS传输门中的各个MOS管的栅极电压。

可以理解的是，由于衬底控制单元中的开关S2和S3均是通过CMOS传输门实现的，也就是说CMOS传输门中均包括对称并联设置的PMOS管和NMOS管，从而使得衬底控制单元对衬底的控制，不会发生图2所示的现有技术中出现的问题，从而稳定了导通电阻Ron，提升了导通电阻平坦度，大幅缩短了模拟开关电路从开启到稳定的时间长度。

另一方面，采用MOS管来实现第一和第二衬底控制单元中的开关S1和S4。例如在高端开关管的衬底和工作电压Vcc之间接入一个PMOS管，在低端开关管的衬底和地电位之间接入一个NMOS管。并且，为了实现对开关S1和S4的控制，则在该PMOS和NMOS管的栅极分别接入反向使能信号EN_Bar和使能信号EN。由于工作电压Vcc和低电平的电位相对来说不会对衬底电压的取值造成过大的影响，即不会导致主开关管出现任何工作状态的切换，因此，为了节省电路元件数量，进而节约芯片面积，降低电路复杂度，只采用了MOS管作为开关S1和S4。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种新的模拟开关电路，能够通过增加第一衬底控制单元和第二衬底控制单元，分别在开关管开启和关闭的情况下，实现对于开关管衬底电压的控制，以通过对MOS管衬底电压的控制确保开关管在开启时减小开关管的阈值电压，在开关管关断时增大开关管的开关阻抗。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。