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今天和大家分享對于開關(guān)電容中“開關(guān)”的一些理解。開關(guān)電容電路有很多的應(yīng)用場景電容開關(guān)，比如A/D、D/A、濾波器等。

開關(guān)在CMOS工藝中是最容易實現(xiàn)的一個，簡單的MOSFET就能實現(xiàn)ON和OFF的功能。一個小小的開關(guān)，還是有比較多的考慮因素的。

圖1

實現(xiàn)形式上，簡單分為單管和多管。單管開關(guān)在集成電路中隨處可見：trim調(diào)節(jié)，使能開關(guān)，電源中Power Switch等；多管開關(guān)，主要是Double Switch的“傳輸門”及自舉（bootstrap）開關(guān)。

理想開關(guān)具有圖2所示的特征，Close電阻為零，Open電阻為無窮大，開關(guān)過程也是理想的。

圖2

實際上，用MOS器件實現(xiàn)的開關(guān)的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電阻都不是理想的。工作在線性區(qū)的nMOS器件的導(dǎo)通電阻可以表示圖3所示，通常選定工藝后，貌似我們能做的很簡單，選擇合適的器件類型，確定W和L，so easy~

圖3

Close狀態(tài)的開關(guān)等效為電阻(注意，實際使用時，電阻的阻值是隨端電壓變化而變化的)，通過開關(guān)對電容充放電的過程就可以看做一階系統(tǒng)，其建立過程為典型的指數(shù)響應(yīng)。時間常數(shù)τ=RC，建立過程中誤差為4.6τ（1%）和6.9τ（0.1%），可見，開關(guān)的阻值會影響到電路工作的速度。

單管開關(guān)在Open的過程中，溝道電荷會通過源漏端進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移的再分配過程，也就是電荷注入（Charge Injection）效應(yīng)。

圖4

圖4為研究溝道電荷注入的模型，其中NMOS源端電容為Cin,漏端為Cs，信號源為Norton形式，VG關(guān)閉時間為δt，結(jié)果中縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)移到Cs的電荷占溝道總電荷的比例，橫坐標(biāo)為B（開關(guān)速度越快，B值越?。梢钥吹綄τ谳^快的開關(guān)速度，電荷注入到Cin和Cs的比率都是0.5。

那么如何減小單管開關(guān)的電荷注入對采樣電容的影響那？通常使用雙管的“傳輸門”開關(guān)，利用NMOS和PMOS溝道的不同的載流子類型抵消電荷注入的影響；或進(jìn)一步增加dummy開關(guān)進(jìn)一步抵消其影響如圖4所示。

圖5

另一個是時鐘饋通（Clock Feedthrough），其電路描述如圖6所示。其中開關(guān)本身的交疊電容Cov和可能的線間寄生Cpara。開關(guān)控制信號VG，通過Cov和Cs的分壓關(guān)系對Vout節(jié)點產(chǎn)生影響，影響取決于比例Cov/(Cs+Cov)和時鐘電平CK乘積。與Vout存在較大寄生的信號線， 也會通過Cpara對影響Vout。特別是采樣電容Cs較小的高精度電路中，小至fF量級的電容可能對Vout有較大的影響

減小時鐘饋通的方法，減小開關(guān)尺寸（選擇接近特征尺寸的W、L,犧牲導(dǎo)通電阻），減小交疊電容；注意Vout關(guān)鍵信號線和其他變化信號線的版圖間距，控制線間寄生，關(guān)鍵處可以使用屏蔽保護(hù)。

還要注意小尺寸開關(guān)的版圖，減小poly和源漏的線間寄生。

圖6

隨著工藝的演進(jìn)，電源電壓在下降，為避免出現(xiàn)開關(guān)的死區(qū)現(xiàn)象，結(jié)合電荷泵的升壓特點，出現(xiàn)的自舉開關(guān)（bootstrap switch）電容開關(guān)，目的是通過提高開關(guān)柵級電壓同時又避免擊穿開關(guān)柵級。其基本原理如圖7所示。

圖7

在時鐘周期的ΦOFF狀態(tài)，紅色開關(guān)Close，CB被充電至VDD，主開關(guān)Ms處于OFF狀態(tài)。

在時鐘周期的ΦON狀態(tài)，藍(lán)色開關(guān)Close，CB跨接在主開關(guān)Ms的柵源兩端，主開關(guān)Ms處于ON狀態(tài)。開關(guān)Soff需要使用更高耐壓的器件。

Ms柵級寄生電容為Cp，可以計算出柵級電壓為（Vin+VDD）*Cp/（Cp+CB）。自舉開關(guān)的導(dǎo)通電阻和輸入電壓值無關(guān)，相對恒定。

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文章由啟和科技編輯