基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路

　　端分别为传送信号的输入、输出端，两个管子的栅极分别由极性相反的信号来控制。由于MOS管的源极和漏极可以互换，因此这个电路的输入、输出端也可以互换，它可以控制信息双向流通，就像一个双向开关。工作过程：当控制信号S=1 时，PMOS 管和NMOS管均导通，传输门接通，信号畅行无阻；当控制信号S=0 时，PMOS 管和NMOS 管均截止，传输门关闭，开关断开。当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管是并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS 传输门的优点。
　　1.1 模拟开关分析
　　CMOS 开关的导通电阻为：

　　展开为：

　　其中un 和up 表示NMOS 管和PMOS 管迁移率；Cox 表示器件的栅氧化层电容；Vg 表示NMOS 管栅电压，Vthn|Vthp|分别表
　　示NMOS 管和PMOS 管的阈值电压，如果设计时取

　　时，式（2）可化简为：

　　导通电阻将不随输入信号改变而改变，可等效为一个恒定阻值的电阻，如式（3），不会引起模拟信号的失真，由于导通电阻是由两个电阻并联，所以阻值较单管开关小得多，使得开关速率又得到提高。从式（3）中可以知道MOS 开关为了能提高速度和，需要抬高NMOS 管的栅电压。增加栅电压直接的办法就是提高电路的电源低压，但是从低电压系统角度来说这增加了成本，因此需要加一个电源电路，的办法是芯片内部产生一个电压来增加栅电压。
　　1.2 栅增压原理
　　栅增压原理是依靠电荷泵的工作原理：先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。本文中所用的电容式电荷泵采用电容器来贮存能量，通过电容对电荷的积累，电容A 端接时钟信号Clk，当A 点电位为0 时，B 点电位为Vdd；当A点电位为Vdd 时，由于电容两端的电压不会突变，理想情况下，此时B 点电位被抬升为2Vdd，因为电荷泵的有效开环输出电阻存在，使得实际情况B 点电位低于2Vdd。

　　2 改进型模拟开关电路设计
　　2.1 电路描述和分析
　　图4 为本文设计的栅增压电路，M3 和M4 组成了一对传输门，可以保证输入信号在高低电压无损失地传输到传输门的另一端。M1 的栅极接反相器的输出端，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，M1 的作用是当开关连通且时钟信号为高电平时，保证电容电压抬升后不会迅速放电使电容正极板电位为0。M2 的栅极接时钟信号CLK，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，它的作用是当开关关闭时，M2 导通时使电容正极板电位保持在电源电压。下面分析该电路的工作情况：
　　当开关关闭时，S 为低电平，M1 导通，保证电容正极板上的电压为VDD，此时M3 和M4 都不导通，信号不能达到输出端。当开关导通时，S 为高电平，M1 截止，时钟为低电平时，M2 和M5 导通，M1 和M6 关闭，电容充电至P-Vds；CLK为高时，由于电容两边电压不会突变，电容正极板上的电压会被抬升至原来的两倍。
　　从上面分析可知，所有跟开关栅端电压连通的电压都是和输入信号无关的，因此开关导通电阻与输入信号无关，可以大大抑制信号有关的电压损失，保证了信号的线性度和器件的可靠性。

　　2.2 性能仿真及结果分析
　　基于NEC0.35umCMOS 工艺的模型参数，采用Spectre 模拟软件，对图3 进行模拟仿真。电源电压为5V，输入信号singlin为500KHZ，信号幅度5V,电荷泵时钟为100MHZ，电容为1.8pf，仿真得到了开关导通电阻随Vg 电压的变化（图5）、电荷泵抬升后的电压（图6）和输出信号结果（图7），可见，导通电阻在大于电源电压时急剧降低，电容正极板上的电压可以抬升至9V，输出电压波形比较理图想，损耗很小，几乎没有。