阅读说明：本技术 内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路 (Ultra-high-speed bootstrap switch circuit with embedded input buffer ) 是由 王晓飞 孙权 严伟 董磊 袁婷 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路,包括输入NMOS管、输入PMOS管、导通开关NMOS管和时钟控制NMOS管；输入端与输入PMOS管的栅极及输入NMOS管的栅极相连；高压源经第一恒流源与输入PMOS管的源极、导通开关NMOS管的栅极以及时钟控制NMOS管的漏极相连接,时钟控制NMOS管的栅极与时钟信号输入端相连接；输入NMOS管的漏极与高压源相连,信号输出端与导通开关NMOS管的漏极相连。本发明利用NMOS源极跟随器和PMOS源极跟随器的直流电压差来实现自举开关的电压抬升,省去了用于抬升开关电压的电容。本发明不仅仅电路结构简单,而且具有高速的工作状态切换速度。(The invention discloses an ultra-high-speed bootstrap switch circuit embedded with an input buffer, which comprises an input NMOS (N-channel metal oxide semiconductor) tube, an input PMOS (P-channel metal oxide semiconductor) tube, a breakover switch NMOS tube and a clock control NMOS tube, wherein the input NMOS tube is connected with the input PMOS tube through a power supply line; the input end is connected with the grid of the input PMOS tube and the grid of the input NMOS tube; the high-voltage source is connected with a source electrode of an input PMOS tube, a grid electrode of a conduction switch NMOS tube and a drain electrode of a clock control NMOS tube through a first constant current source, and the grid electrode of the clock control NMOS tube is connected with a clock signal input end; the drain electrode of the input NMOS tube is connected with a high voltage source, and the signal output end is connected with the drain electrode of the conduction switch NMOS tube. According to the invention, the voltage of the bootstrap switch is raised by using the direct current voltage difference of the NMOS source electrode follower and the PMOS source electrode follower, so that a capacitor for raising the voltage of the switch is omitted. The invention not only has simple circuit structure, but also has high working state switching speed.)

内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路。

背景技术

模数转换器的输入自举开关的工作速度直接决定了模数转换器的转换速率。传统的自举开关不仅仅需要驱动采样电容，也需要驱动自举开关的栅极。当模数转换器的转换速率升高时，需要在极短的时间内抬升自举开关的栅极电位。这就需要具有大驱动能力的输入驱动电路。这会大幅提高电路的能量消耗。而且，也不一定能实现高速采样。传统的自举开关也需要一个或多个电容用于抬升自举开关的栅极电压。这也不利于将自举开关应用于小尺寸工艺上。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路，可以实现高速的工作状态切换，也可以等比例缩小，应用在更小的工艺上。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路，包括输入NMOS管、输入PMOS管、导通开关NMOS管、时钟控制NMOS管、第一恒流源和第二恒流源、输入端以及输出端、时钟控制管以及时钟信号输入端；

输入端与输入PMOS管的栅极及输入NMOS管的栅极相连；高压源经第一恒流源与输入PMOS管的源极、导通开关NMOS管的栅极以及时钟控制NMOS管的漏极相连接，时钟控制NMOS管的栅极与时钟信号输入端相连接，输入PMOS管的漏极及时钟控制NMOS管的源极接地；

输入NMOS管的漏极与高压源相连，第二恒流源的负极接地，信号输出端与导通开关NMOS管的漏极相连。

本发明进一步的改进在于，当时钟信号输入端从高电平切换到低电平时，NMOS管从截断态切换到导通状态，第一节点对输出端充放电。

本发明进一步的改进在于，第一节点与输入NMOS管的源极、导通开关NMOS管的源极及第二恒流源的正极相连接，第一节点比输入端的电位低一个NMOS管的栅源电压差Vgsn。

本发明进一步的改进在于，当导通开关NMOS管处于导通状态时，输出端的电位等于第一节点的电位。

本发明进一步的改进在于，时钟控制NMOS管的漏极与导通开关NMOS管的栅极的连接位置作为第二节点；当时钟信号输入端从低电平切换到高电平时，第二节点的电位为0。

本发明进一步的改进在于，当时钟信号输入端为高电平时，导通开关NMOS管处于导通状态，第二恒流源上的电流通过时钟控制NMOS管流向地；第二节点的电位为0；导通开关NMOS管处于关闭状态；输出端处于高阻态。

本发明进一步的改进在于，当时钟信号输入端低电平时，时钟控制NMOS管处于关闭状态，第二节点比输入端的电位高出一个PMOS管的栅源电压差Vgsp，导通开关NMOS管的栅源电压差为Vgsn+Vgsp，其中，Vgsn为一个NMOS管的栅源电压差。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明的自举电路从高阻态切换到输入跟随状态时，PMOS源极跟随器可以快速驱动节点B，在极短的时间内开启NMOS管NM1。当自举电路从输入跟随状态切换到高阻态时，NMOS管NM2也可以快速地将第二节点B的电位下拉到地，在极短的时间内将NMOS管NM1关闭。本发明电路具有很高的工作状态切换速度。本发明的电路中没有使用电容器件，可以减小版图面积，并且可以在更先进的工艺下，使用更小的版图面积获得更好的性能。而且，电路中的源极跟随器可以隔离输入信号和自举开关，避免开关信号对输入信号的干扰。

附图说明

图1为本发明的内嵌输入缓冲器的超高速自举开关电路；

图2为本发明自举开关电路的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

本发明的电路结构如图1所示，包括一个输入NMOS管NM0、一个输入PMOS管PM0、一个导通开关NMOS管NM1、一个时钟控制NMOS管NM2、第一恒流源I0和第二恒流源I1、输入端vi以及输出端vo、时钟控制管NM2以及时钟信号输入端ck，第一节点A、第二节点B是电路的内部节点。

输入端vi与输入PMOS管PM0的栅极及输入NMOS管NM0的栅极相连；高压源经第一恒流源I1与输入PMOS管PM0的源极、导通开关NMOS管NM1的栅极以及时钟控制NMOS管的漏极相连接，时钟控制NMOS管NM2的栅极与时钟信号输入端ck相连接，输入PMOS管PM0的漏极及时钟控制NMOS管NM2的源极接地；

输入NMOS管NM0的漏极与高压源相连，第一节点A与输入NMOS管NM0的源极、导通开关NMOS管NM1的源极及第二恒流源I0的正极相连接，第二恒流源I0的负极接地，信号输出端vo与导通开关NMOS管NM1的漏极相连；

时钟控制NMOS管NM2的漏极与导通开关NMOS管NM1的栅极的连接位置作为第二节点B。

图2本发明电路的工作时序，时钟控制管ck用于控制电路的工作状态。当时钟信号输入端ck的时钟信号为高电平时，电路处于高阻状态。当时钟信号输入端ck的时钟信号为低电平时，电路处于输入跟随状态。

图1中的NMOS管NM0和第一恒流源I0共同组成一个NMOS源极跟随器，直接驱动第一节点A即驱动导通开关NMOS管NM1的源极。无论电路处于何种状态，第一节点A都跟随输入端vi信号变化。并且第一节点A比输入端vi的电位低一个NMOS管的栅源电压差Vgsn。当导通开关NMOS管NM1处于导通状态时，输出端vo的电位等于第一节点A的电位。

图1中的PMOS管PM0和第一恒流源I1共同组成一个PMOS源极跟随器，直接驱动第二节点B，即驱动导通开关NMOS管NM1的栅极。当时钟信号输入端ck的时钟信号为低电平时，第二节点B跟随输入端vi信号变化。并且第二节点B比输入端vi的电位高出一个PMOS管的栅源电压差Vgsp。此时导通开关NMOS管NM1的栅源电压差为Vgsn+Vgsp。该电压差和输入信号的电压值无关。

从NM1的栅源电压差的表达式知道，可以通过调整第一恒流源I0、第一恒流源I1或者NMOS管NM0、PMOS管PM0的尺寸来改变NM1的栅源电压差的具体电压值。当时钟信号输入端ck为高电平时，NMOS管NM2处于开启状态，第二恒流源I1上的电流都通过NMOS管NM2流向地。第二节点B被下拉到地。NMOS管NM1处于关闭状态。输出端vo处于高阻态。

当自举开关电路的时钟信号输入端ck从低电平切换到高电平时，第二节点B被下拉到0。第二节点B的电位跳变，通过NMOS管NM1的栅源寄生电容耦合到第一节点A。对于传统的自举开关电路，只能任凭时钟干扰影响输入信号。而在被发明中，NMOS源极跟随器的低输出阻抗特性，可以吸收该时钟干扰，隔离输入端vi和自举开关的内部节点，尽可能地避免时钟干扰耦合到输入端。

当自举开关电路的时钟信号输入端ck从高电平切换到低电平时，第二节点B跟随输入端vi变化。NMOS管NM1从截断态切换到导通状态，第一节点A对输出端vo充放电。此时，NMOS源极跟随器可以为第一节点A提供充放电电流，避免对输入端vi的干扰。

本发明的自举电路从高阻态切换到输入跟随状态时，PMOS源极跟随器可以快速驱动节点B，在极短的时间内开启NMOS管NM1。当自举电路从输入跟随状态切换到高阻态时，NMOS管NM2也可以快速地将第二节点B的电位下拉到地，在极短的时间内将NMOS管NM1关闭。本发明电路具有很高的工作状态切换速度。

NMOS管NM2用于控制自举开关电路的工作状态。当时钟信号输入端ck的时钟信号为低电平时，NMOS管NM2处于关闭状态，第二节点B跟随输入端vi，NMOS管NM1的栅源电压保持在Vgsn+Vgsp。当时钟信号输入端ck的时钟信号为高电平时，NMOS管NM2处于导通状态，第二恒流源I1的电流都经过NMOS管NM2流向地，第二节点B的电位为0，NMOS管NM1处于关闭状态。

本发明提出的自举开关电路结构，不包含电容，而且结构简单。除了可以实现高速的工作状态切换外，也可以等比例缩小，使用更先进的小尺寸工艺上。

当时钟信号ck为低电平时，导通开关NMOS管NM1处于导通状态，导通开关NMOS管NM1的栅极跟随输入变化，导通开关NMOS管NM1的栅源电压差保持不变。当时钟信号ck为高电平时，时钟控制NMOS管NM2将导通开关NMOS管NM1的栅极电压下拉到0，导通开关NMOS管NM1处于关闭状态。本发明利用NMOS源极跟随器和PMOS源极跟随器的直流电压差来实现自举开关的电压抬升，和传统的自举开关电路相比，省去了用于抬升开关电压的电容。另外，源极跟随器的工作速度快，时钟信号ck从高电平跳变到低电平时，节点B的电位可以快速跟随输入电压。当时钟信号ck从低电平跳变到高电平时，节点B的电位也可以被快速下拉到0。本发明不仅仅电路结构简单，而且具有高速的工作状态切换速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。