阅读说明：本技术 一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关 (Power consumption-free analog switch with voltage processing function ) 是由 张庆亚 付美俊 靳瑞英 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关,包括：两个开关管、上拉管、下拉管、pmos衬底选择电路、nmos衬底选择电路、驱动电路、电平移位电路、电源电压检测电路、高低压选择电路,本发明提出的一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关,开关输入输出完全对称,可以双向导通,开关管觉有传输正负电压信号的特性,在电源掉电以后开关管能够迅速关断,阻断输入端正负电压信号的传输,大大提高了在电源电压掉电状态下开关管的隔离度,并且该模拟开关无静态功耗。(The invention discloses a power consumption-free analog switch with a voltage processing function, which comprises: the invention provides a power consumption-free analog switch with a voltage processing function, which comprises two switch tubes, an upper pull tube, a lower pull tube, a pmos substrate selection circuit, an nmos substrate selection circuit, a drive circuit, a level shift circuit, a power supply voltage detection circuit and a high-low voltage selection circuit.)

一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关

技术领域

本发明涉及模拟开关的技术领域，更具体的说是涉及到一种具有电压处理能力的无功耗模拟开关领域。

背景技术

模拟开关主要是完成信号链路中的信号切换功能，采用MOS管开关方式实现了对信号链路的关断或者打开，由于功能类似于开关，并用模拟器件的特性实现，称为模拟开关，对于应用需求不同，模拟开关可以分为音频模拟开关，视频模拟开关，数字开关和通用模拟开关等。

目前，对于用作传输音频信号的模拟开关，掉电状态下开关的隔离度是一个重要的指标，音频模拟开关通常采用一对关联的pmos管和nmos管，这种开关只能够满足传输正电压和负电压的需求，如果不对开关进行处理，在电源电压掉电后，不能保证开关管处于关断状态，现有技术当中通常分别在第一开关管的栅极接一个上拉电阻，在第二开关管的栅极接一个下拉电阻。

但是，这种方式不能保证电源掉电后开关管能够迅速关断，同时这种方式还会引入较大的静态功耗，无法满足应用场合中超低功耗的需求。

因此，一种具有电压处理能力的无功耗模拟开关是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关，解决了电源掉电后开关管能够迅速关断并隔离正负电压的问题，同时具有正负电压处理功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关，包括：

第一开关管；

第一驱动电路，所述驱动电路与所述第一开关管的栅极连接；

上拉管，所述上拉管的漏级与所述第一驱动电路及所述第一开关管的栅极连接；

第二开关管，所述第二开关管的漏级与所述第一开关管的源极连接，所述第二开关管的源极与所述第一开关管的漏级连接；

第二驱动电路，所述第二驱动电路与所述第二开关管的栅极连接；

下拉管，所述下拉管的漏级与所述第二驱动电路及所述第二开关管的栅极连接；

第一电平移位电路，所述第一电平移位电路分别与所述上拉管的栅极和所述下拉管的栅极连接；

第二电平移位电路，所述第二电平移位电路与所述第一驱动电路及所述第一电平移位电路连接；

第三电平移位电路，所述第三电平移位电路与所述第二驱动电路连接、第一电平移位电路及所述第二电平移位电路；

逻辑控制电路，所述逻辑控制电路分别与所述第二电平移位电路和所述第三电平移位电路连接；

电源电压检测电路，所述电源电压检测电路分别与所述第一电平移位电路、所述第二电平移位电路和所述第三电平移位电路连接。

优选的，所述上拉管的源极为高压输出端，所述高压输出端与所述第一驱动电路、所述第二驱动电路、所述第一电平移位电路、所述第二电平移位电路及所述第三电平移位电路连接。

优选的，所述下拉管的源极为低压输出端，所述低压输出端与所述第一驱动电路、所述第二驱动电路、所述第一电平移位电路、所述第二电平移位电路及所述第三电平移位电路连接。

优选的，所述电源电压检测电路，包括:第一pmos管、第二pmos管、第一nmos管、第二nmos管、第一电阻、第二电阻以及第一电容，所述第一pmos管的漏级接所述第一电阻的一端，所述第一pmos管的栅极、源极与所述第二pmos管的源极及所述第一电容的一端连接，所述第二pmos管的栅极与所述第一nmos管的栅极、所述第二电阻的一端连接，所述第二pmos管的漏极与所述第一nmos管的漏极、所述第二nmos管的栅极连接，所述第一nmos管的源极接地，所述第二nmos管的源极接地，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端分别接电源电压，所述第一电容的另一端与所述第一电平移位电路、所述第二电平移位电路、所述第三电平移位电路、所述第一驱动电路、所述第二驱动电路、及所述下拉管的源极连接。

采用上述电源电压检测电路的有益效果为：检测电路有的电压状态，反应当有音频信号输入时候的初始状态和当电源电压为0时的状态，避免其他核心电路因电压电平不足或杂讯干扰等因素而导致不确定电平状态。

优选的，所述第一电平移位电路与所述第二电平移位电路、所述第三电平移位电路为相同电平位移位电路，所述电平位移电路包括:第七pmos管、第八pmos管、第九pmos管、第十pmos管，第七nmos管、第八nmos管、第九nmos管、第十nmos管、第四电阻、反相器；

所述第七pmos管的源极、所述第八pmos管的源极、所述第九pmos管的源极和所述第十pmos管的源极相接，所述第七pmos管的栅极与所述第八pmos管的漏极、所述第八nmos管的漏极与所述第九pmos管的栅极相接，所述第七pmos管的漏极、所述第七nmos管的漏极、所述第八pmos管的栅极与所述第十pmos管的栅极相接，所述第九pmos管的漏极、所述第九nmos管的漏极与所述第十nmos管的栅极相接，所述第十pmos管的漏极、所述第十nmos管的漏极与所述第九nmos管的栅极相接，所述第七nmos管的栅极与所述第四电阻的一端、所述反相器的输入端相接，所述第八nmos管的栅极与所述反相器的输出端相接，所述第七nmos管的源极和所述第八nmos管的源极接地，所述第九nmos管的源极和所述第十nmos管的源极相接，所述第四电阻的另一端接电源电压。

采用上述电平移位电路的有益效果为：实现整体电路中较高与较低电压之间的转换。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关，具有以下效果：

该模拟开关电路的输入输出完全对称，可以双向导通，开关管具有传输正负电压信号的特性，电源掉电以后开关管能够迅速关断，开关管阻断输入端正负电压信号的传输，大大提高了电源电压掉电状态下开关的隔离度，并且该模拟开关无静态功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的模拟开关原理图；

图2附图为本发明提供的电源电压检测电路图；

图3附图为本发明提供的第一电平位移电路图；

图4附图为本发明提供的高电压选择电路图；

图5附图为本发明提供的低电压选择电路图；

图6附图为本发明提供的pmos衬底选择电路；

图7附图为本发明提供的nmos衬底选择电路；

图8附图为本发明提供的电路上电与掉电时电压端口示意图；

图9附图为本发明提供的有音频信号输入时示意图；

图10附图为本发明提供的当电路的电源电压为0时示意图；

在图1中：11-第一开关管、12-第二开关管、13-上拉管、14-下拉管109-pmos衬底选择电路、110-nmos衬底选择电路、111-逻辑控制电路、114-第一驱动电路、115-第二驱动电路、102-第一电平移位电路、112-第二电平移位电路、113-第三电平移位电路、101-电源电压检测电路、107-高压选择电路、108-低压选择电路、103-第一电压端口、104-第二电压端口、105-高压选择输出端口、106-低压选择输出端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1所示，本发明实施例公开了具有电压处理功能的无功耗模拟开关，包括：

第一开关管11；

第一驱动电路114，驱动电路114与第一开关管11的栅极连接；

上拉管13，上拉管13的漏级与第一驱动电路114及第一开关管11的栅极连接；

第二开关管12，第二开关管12的漏级与第一开关管11的源极连接，第二开关管12的源极与第一开关管11的漏级连接；

第二驱动电路115，第二驱动电路115与第二开关管12的栅极连接；

下拉管14，下拉管14的漏级与第二驱动电路115及第二开关管12的栅极连接；

第一电平移位电路102，第一电平移位电路102分别与上拉管13的栅极和下拉管14的栅极连接；

第二电平移位电路112，第二电平移位电路112与第一驱动电路114及第一电平移位电路102连接；

第三电平移位电路113，第三电平移位电路113与第二驱动电路115连接、第一电平移位电路102及第二电平移位电路112；

逻辑控制电路111，逻辑控制电路111分别与第二电平移位电路112和第三电平移位电路113连接；

电源电压检测电路101，电源电压检测电路101分别与第一电平移位电路102、第二电平移位电路112和第三电平移位电路113连接。

在一个具体的实施例中，上拉管13的源极为高压输出端，高压输出端与第一驱动电路114、第二驱动电路115、第一电平移位电路102、第二电平移位电路112及第三电平移位电路113连接。

在一个具体的实施例中，下拉管14的源极为低压输出端，低压输出端与第一驱动电路114、第二驱动电路115、第一电平移位电路102、第二电平移位电路112及第三电平移位电路113连接。

具体的，在一个具体的实施例中，参见附图2所示，电源电压检测电路101，包括:第一pmos管21、第二pmos管22、第一nmos管23、第二nmos管24、第一电阻25、第二电阻26以及第一电容27，第一pmos管21的漏级接第一电阻25的一端，第一pmos管21的栅极、源极与第二pmos管22的源极电容27的一端连接，第二pmos管22的栅极与第一nmos管23的栅极、第二电阻26的一端连接，第二pmos管22的漏极与第一nmos管23的漏极、第二nmos管24的栅极连接，第一nmos管23的源极接地，第二nmos管24的源极接地，第一电阻25和第二电阻26的另一端分别接电源电压，电容27的另一端与第一电平移位电路、第二电平移位电路、第三电平移位电路、第一驱动电路、第二驱动电路、及下拉管的源极连接，形成低压选择输出端口106。

在一个具体的实施例中，第一电平移位电路102与第二电平移位电路112、第三电平移位电路113为相同电平位移位电路，参见附图3所示，电平位移电路包括:第七pmos管31、第八pmos管32、第九pmos管33、第十pmos管34，第七nmos管35、第八nmos管36、第九nmos管37、第十nmos管38、第四电阻39、反相器310；

具体的，第七pmos管31的源极、第八pmos管32的源极、第九pmos管33的源极和第十pmos管34的源极相接，第七pmos管31的栅极与第八pmos管32的漏极、第八nmos管36的漏极与第九pmos管33的栅极相接，第七pmos管31的漏极、第七nmos管35的漏极、第八pmos管32的栅极与第十pmos管34的栅极相接，第九pmos管33的漏极、第九nmos管37的漏极与第十nmos管38的栅极相接，第十pmos管34的漏极、第十nmos管38的漏极与第九nmos管37的栅极相接，第七nmos管35的栅极与第四电阻39的一端、反相器310的输入端相接，第八nmos管36的栅极与反相器310的输出端相接，第七nmos管35的源极和第八nmos管36的源极接地，第九nmos管37的源极和第十nmos管38的源极相接，第四电阻39的另一端接电源电压。

在一个具体的实施例中，参见附图4所示，还包括高压选择电路107，高压选择电路107包括第一电压端口103、第二电压端口104及高压选择输出端口105，第一电压端口103与第一开关管11的源极、第二开关管12的漏级相接，第二电压端口104与第一开关管11的漏级、第二开关管12的栅极相接，高压选择输出端口105与第一电平移位电路102、第二电平移位电路112、第三电平移位电路113、第一驱动电路114、第二驱动电路115及上拉管13的源极连接；

具体的，高压选择电路107包括:第三pmos管41、第四pmos管42、第五pmos管43、第六pmos管44、第三电阻45、第一电压端口103、第二电压端口104、高压选择输出端口105；第三pmos管41的漏极与第一电压端口103、第四pmos管42的栅极相接，第三pmos管41的栅极与第四pmos管42的漏极和第二电压端口104相接，第三pmos管41的源极与第四pmos管42的源极、第五pmos管43的漏极和第六pmos管44的栅极都相接，第五pmos管43的栅极与第六pmos管44的漏极和第三电阻45的一端相接，第五pmos管43的源极与第六pmos管44的源极、第六pmos管44的衬底和高压选择输出端口105相接，第三电阻45的另一端接电源电压。

具体的，高压选择电路107选择出的电压是电源电压、第一开关管和第二开关管之间的最高电压。

在一个具体的实施例中，参见附图5所示，还包括低压选择电路108，低压选择电路108包括第一输出端口103、第二输出端口104及低压选择输出端口106，第一电压端口103与高压选择电路107、第一开关管11的源极、第二开关管12的漏级相接，第二电压端口104与高压选择电路107、第一开关管11的漏级、第二开关管12的栅极相接，低压选择输出端口106与第一电平移位电路102、第二电平移位电路112、第三电平移位电路113、第一驱动电路114、第二驱动电路115及上拉管13的源极连接；

具体的，低压选择电路108包括:第三nmos管51、第四nmos管52、第五nmos管53、第六nmos管54、第一电压端口103、第二电压端口104、低压选择输出端口106；第三nmos管51的漏极与第一电压端口103、第四nmos管52的栅极相接，第三nmos管51的栅极与第四nmos管52的漏极和第二电压端口104相接，第三nmos管50的源极与第四nmos管52的源极、第五nmos管53的漏极和第六nmos管54的栅极相接，第五nmos管53的栅极与第六nmos管54的漏极接地，第五nmos管53的源极与第六nmos管54的源极、低压选择输出端口106相接。

具体的，低压选择电路选择出的电压是接地电压、第一开关管和第二开关管之间的最低电压。

在一个具体的实施例中，参见附图6所示，还包括pmos衬底选择电路109，pmos衬底选择电路109与第一开关管11的漏级、栅极及第一电压端口103、第二开关管的漏级、栅极及第二电压端口104连接；

具体的，pmos衬底选择电路109包括：第十一pmos管61、第十二pmos管62、第一电压端口103、第二电压端口104；第十一pmos管61的栅极与第二输入端口和第十二pmos管的漏极相接，第十一pmos管的源极与第十二pmos管的源极相接。

在一个具体的实施例中，参见附图7所示，还包括nmos衬底选择电路110，nmos衬底选择电路110与第一开关管11的漏级、栅极及第一电压端口103、第二开关管的漏级、栅极及第二电压端口104连接；

具体的，nmos衬底选择电路110包括：第十三nmos管71、第十四nmos管72、第一电压端口103、第二电压端口104；第十三nmos管71的栅极与第一电压端口103、第十四nmos管72的漏极相接，第十三nmos管71的源极与第十四nmos管72的源极相接。

本发明具体的工作原理如下：

当第一开关管11和第二开关管12传输正电压时，其第一电压端口103端的电压大于第二电压端口104端的电压，因此pmos管衬底选择电路109中的第十二pmos管62关闭，第十一pmos管61打开，选择电压高的第一电压端口103端作为第一开关管11的衬底电压，pmos管衬底选择电路109中输出端口601端的电压等于第一电压端口103端的电压，nmos管衬底选择电路110中第十三nmos管71关闭，第十四nmos管72打开，选择电压低的第二电压端口104端作为第二开关管12的衬底，nmos管衬底选择电路110中输出端口701端的电压等于第二电压端口104端的电压；

当第一开关管11和第二开关管12传输正负电压时，其第一电压端口103端电压小于第二电压端口104端电压，因此pmos管衬底选择电路109中的第十一pmos管61关闭，第十二pmos管62打开，选择电压高的第二电压端口104端作为第一开关管11的衬底电压，pmos管衬底选择电路109中输出端口601端的电压等于第二电压端口104端的电压，nmos管衬底选择电路110中第十四nmos管72关闭，第十三nmos管71打开，选择电压低的第一电压端口103端作为第二开关管12的衬底，nmos管衬底选择电路110中输出端口701端的电压等于第一电压端口103端的电压。

高电压选择电路107的结构是pmos衬底选择电路109的两级级联，其最终选择出来的电压是电源电压、第一电压端口103端电压和第二电压端口104端电压的最高电压。

高电压选择电路108的结构是pmos衬底选择电路110的两级级联，其最终选择出来的电压是GND、第一电压端口103端电压和第二电压端口104端电压的最低电压。

当电源电压上电以后，逻辑控制电路111控制第一开关管和第二开关管的开启和关断；当电源电压掉电以后，电源电压降为0，第一电压端口103作为输入端有音频信号输入，第二电压端口104作为输出端，输入/输出端103/104，输出端口105、106的电压参见附图3所示，音频信号的最大输入电压为VMAX，最小输入电压为VMIN，高压选择输出端口105的最大输出电压为VMAX，最小输出电压为0，高压选择输出端口106的最大输出电压为0V，最小输出电压为VMIN。

电源电压检测电路中的第一电容27的一端接低压选择输出端口106端，当有音频信号输入的时候，初始状态下，第一电容27两端的电压为0，当低压选择输出端口106端的电压降低至第一pmos管21、第二pmos管22的阈值电压VTHP以下的时候，由于第一pmos管21、第二pmos管22寄生二极管的作用，A点电压只能降低至VTHP，经过音频信号的一个周期以后，电容27两端的压差被抬高至VMAX-|VTHP|，当低压选择输出端口106端的电压为0的时候，第一电容27的上极板A端的电压为VMAX-|VTHP|，参见附图9所示，当电容27上极板A点的电压为VMAX-|VTHP|时，由于电源电压为0，第二nmos管24的栅极电压也为VMAX-|VTHP|，当VMAX-|VTHP|大于第二nmos管24的栅极电压VTHN时，第二nmos管24就会开启，电源电压检测输出端口201端的电压被强拉至GND。

当电源电压为0时，第一电平移位电路102中的输出端口105和输出端口106端的电压参见附图8所示，由于电源电压检测电路中第二nmos管24的作用，第一电平移位电路102中输出端口201端的电压被强拉至0，根据电平移位电路的工作原理，输出端口304和输出端口305端的电压参见附图10所示，其中电平移位电路201中输出端口305端接上拉管13的栅极，输出端口304端接下拉管14的栅极，由于上拉管13和下拉管14的作用，第一开关管11的栅极的电压始终和105端的电压保持一致，开关管12的栅极电压始终和106端的电压保持一致。由于开关管11栅极的电压始终保持不低于103端的输入电压，第二开关管12栅极的电压始终保持不高于103端的输入电压，第一开关管11和第二开关管12始终保持关断状态。

电源电压检测电路101的输出端201与第二电平移位电路112和第三电平移位电路113的输入端相接，当电源电压掉电以后第二电平移位电路112输出为不低于第一电压端口103端的电压，第三电平移位电路113输出为不高于第一电压端口103端的电压。

当整体电路正常工作时，电源电压检测电路101中第二nmos管24处于关断状态，第一电平移位电路102中201端没有下拉作用，304端电压输出为低电平，即第一电压端口103、第二电压端口104和GND中的最低电压，下拉管14处于关断状态，305端输出为高电平，即第一电压端口103、第二电压端口104和电源电压中的最高电压，上拉管13处于关断状态，第一开关管11和第二开关管12的状态由逻辑控制电路111来控制，整体电路在工作时无静态功耗。

可以得出结论，本发明提出的一种具有电压处理功能的无功耗模拟开关，在电源掉电以后开关管能够迅速关断，阻断输入端正负电压信号的传输，大大提高了在电源电压掉电状态下开关管的隔离度，并且该模拟开关无静态功耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。