自舉開關(guān)電路專利技術(shù)綜述

畢爽君 李華芳 孫 旭

自舉開關(guān)電路專利技術(shù)綜述

畢爽君 李華芳 孫 旭

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450000）

本文從專利文獻(xiàn)的角度對(duì)自舉開關(guān)電路的發(fā)展進(jìn)行分析，介紹了自舉開關(guān)電路技術(shù)發(fā)展路線以及國(guó)內(nèi)外重要技術(shù)的發(fā)展路線。

自舉開關(guān)；專利；技術(shù)發(fā)展

Abstract:This paper analyzes the development of bootstrap switch circuit technology from the perspective of patent,then introduces the technical development route of bootstrap switch circuit,and the development direction of domes?tic important technology.

Key word:bootstrap switch;patent;technology development

1 自舉開關(guān)電路簡(jiǎn)介

在采樣保持電路中，采樣開關(guān)的性能決定了信號(hào)的采樣精度和采樣速度。采樣開關(guān)一般由MOS開關(guān)管實(shí)現(xiàn)，MOS開關(guān)管的導(dǎo)通電阻由式(1)決定。從式(1)可看出，導(dǎo)通電阻Ron與柵源電壓有關(guān)。一般MOS開關(guān)管的源端接輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，其柵源電壓發(fā)生變化，從而使其導(dǎo)通電阻不為一恒定值，降低了MOS開關(guān)管的線性度，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生諧波失真。為了消除上述因素導(dǎo)致的MOS開關(guān)管的非線性，通常采用柵壓自舉開關(guān)電路結(jié)構(gòu)[1]。使MOS管的柵源電壓保持為一恒定電壓V1，根據(jù)式(1)即保證MOS管的導(dǎo)通電阻Ron不隨柵源電壓的變化而改變，降低對(duì)電路的動(dòng)態(tài)性能的影響。

2 自舉開關(guān)電路技術(shù)申請(qǐng)專利分析

2.1 自舉開關(guān)電路技術(shù)發(fā)展路線

為了保證采樣保持電路的精確度，自舉開關(guān)電路技術(shù)從20世紀(jì)90年代之后開始發(fā)展起來(lái)，并在近幾年得到快

圖1 導(dǎo)通電阻恒定的自舉開關(guān)電路

圖2 消除襯偏效應(yīng)的自舉開關(guān)電路

2.2.2 消除襯偏效應(yīng)的自舉開關(guān)電路

由式(2)可看出，MOS管閾值電壓Vth還與源-襯電壓有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，源-襯電壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致閾值電壓Vth隨輸入信號(hào)改變，即存在由襯偏效應(yīng)引入的非線性。

東南大學(xué)提出的專利申請(qǐng)（專利公開號(hào)為CN103346765A）中給出了一種帶輔助電路的柵壓自舉開關(guān)電路，如圖2所示。增加了輔助電路，主要包括比較器、第二反相器INV2、NMOS管MN11和MN12；比較器通過(guò)比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的大小產(chǎn)生控制信號(hào)從而控制MN11和MN12的關(guān)斷，確保開關(guān)晶體管MN8的襯底與“真實(shí)的源端”相連，能夠有效抵消MOS管襯偏效應(yīng)的影響，提高開關(guān)的精度和線性度[2]。

2.2.3 消除寄生電容的自舉電路

自舉電容器可能由于其尺寸而引入對(duì)地的大寄生電容。所有的這些寄生電容可能進(jìn)一步增大電荷共享效應(yīng)，從而減少在開關(guān)晶體管處看到的電荷。NXP股份有限公司提出的專利申請(qǐng)（專利公開號(hào)為EP2518730A1）中提出了如圖3所示的電路。速發(fā)展。從簡(jiǎn)單的電容實(shí)現(xiàn)自舉電路，利用單個(gè)自舉電容來(lái)實(shí)現(xiàn)自舉開關(guān)（專利公開號(hào)為CN1777031A），到通過(guò)利用開關(guān)有規(guī)律的導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)現(xiàn)自舉開關(guān)（專利公開號(hào)為CN101154941A），到實(shí)現(xiàn)柵壓自舉開關(guān)電路（專利公開號(hào)為CN104796126A、）以及各種改進(jìn)的自舉開關(guān)電路（實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻恒定的自舉開關(guān)電路申請(qǐng)公開號(hào)如CN103997326A、CN103997326A，實(shí)現(xiàn)消除襯偏效應(yīng)的自舉開關(guān)電路申請(qǐng)公開號(hào)如CN103346765A、CN102891672A、CN103023469A，可以實(shí)現(xiàn)多路采樣?xùn)艍鹤耘e開關(guān)的專利申請(qǐng)公開號(hào)如CN104270153A）。

2.2 國(guó)內(nèi)外重要技術(shù)的發(fā)展

2.2.1 導(dǎo)通電阻恒定的自舉開關(guān)電路

圖1所示為上海華力微電子有限公司申請(qǐng)的導(dǎo)通電阻恒定的自舉開關(guān)電路（專利公開號(hào)為CN103997326A）中，包括：電荷泵電路10、自舉電路20、開關(guān)電路30。電荷泵電路10用于產(chǎn)生控制自舉電路20的自舉電容充電的控制電壓，自舉電路20用于按時(shí)序控制開關(guān)管MN接通或斷開并在自舉高壓控制下產(chǎn)生恒定的導(dǎo)通電阻。

圖3 消除寄生電容的自舉電路

圖4 對(duì)超過(guò)電源電壓的輸入進(jìn)行采樣的自舉電路

2.2.4 對(duì)超過(guò)電源電壓的輸入進(jìn)行采樣的自舉電路

傳統(tǒng)的自舉開關(guān)電路只能對(duì)小信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)電源范圍時(shí)它就不起作用了。針對(duì)此問(wèn)題，美國(guó)的德克薩斯儀器股份有限公司提出了一種能夠?qū)Τ^(guò)電源電壓的輸入進(jìn)行采樣的自舉電路（專利公開號(hào)為US2006202735A1），如圖4所示。

2.2.5 小尺寸的柵壓自舉開關(guān)電路

自舉開關(guān)電路中額外引入的電容將會(huì)占用很大的面積，這樣加在輸入端的容性負(fù)載會(huì)大大增加，要想使開關(guān)正常工作則必須增大輸入級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力。電子科技大學(xué)在研發(fā)中提出了一種可以縮小芯片尺寸的柵壓自舉開關(guān)電路（專利公開號(hào)為CN103532534A），在柵壓抬高電路中取消了電荷泵結(jié)構(gòu)，只用到了一個(gè)電容，大大減小了電路所占用的面積，這對(duì)于對(duì)芯片面積有嚴(yán)格限制的設(shè)計(jì)中具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)自舉開關(guān)電路技術(shù)的發(fā)展路線分析可知，國(guó)內(nèi)外重要的公司都已經(jīng)著手研發(fā)更高性能、更小尺寸的自舉開關(guān)電路，也申請(qǐng)了大量的專利，未來(lái)關(guān)于自舉開關(guān)電路的發(fā)展會(huì)不斷朝著高集成度、高精度以及更快的采樣開關(guān)轉(zhuǎn)換速度發(fā)展，同時(shí)，也促進(jìn)了中國(guó)專利的快速發(fā)展。

[1]錢宏文，朱燕君.適用于中頻采樣的CMOS自舉采樣開關(guān)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，8(2):209-212.

[2]張躍龍，李儒章.一種新型高線性度CMOS自舉采樣開關(guān)[J].微電子學(xué).2011，41(6):799-809.

Overview of Patent Technology for Bootstrap Circuit

Bi Shuangjun Li Huafang Sun Xu
(Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office,SIPO,Zhengzhou 450000,Henan,China)

TN710.2

A

1003-5168(2017)08-0052-03

2017-5-17

畢爽君（1988-），女，碩士，審查員，研究方向：計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)明專利審查；李華芳（1987-），女，碩士，審查員，研究方向：計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)明專利審查（等同于第一作者）；孫旭（1989-），女，碩士，審查員，研究方向：計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)明專利審查。