一種帶使能控制的16選1高壓模擬開關電路的設計

程緒林，黃立朝，楊 兵，張如州

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

模擬開關主要完成信號鏈路中的信號切換功能，通常具有傳輸速度快、導通電阻小、通道隔離度高等特點，因此廣泛應用于微處理器中的交互接口、通信系統、電源控制系統等開關應用電路中。現在，隨著通信系統和微處理技術的迅猛發展，對其內部的工作電壓要求越來越高，而且為了滿足其日益復雜的邏輯控制，常常需要帶各種使能控制的模擬開關。另外，模擬開關工作時，不僅可以傳遞模擬信號還可以傳遞數字信號，但值得注意的是，模擬信號的變化值（幅度）必須在正負電源電壓之間，當采用高壓模擬開關時，信號鏈路中傳遞的信號幅度變化范圍就可擴展得很大。

本文設計了一款帶使能控制的16選1高壓模擬開關電路，通過4位二進制地址來控制16個傳輸通道的選擇，并由讀寫控制端口來觸發地址寄存器的工作狀態，以確定16個傳輸通道的某一個鏈接至公共輸出端口。電路采用的是高壓工藝制造，芯片版圖面積為3.825 mm×2.825 mm。本文設計的這款高壓模擬開關電路耐壓高、速度快、帶各種控制功能，且性能可靠，實用性強[1]。

2 電路整體結構和功能分析

本文介紹的高壓模擬開關電路的結構如圖1所示。該開關電路共有16路輸入S1～S16，1路公共輸出端口D；通過4位地址輸入端口A0～A3來選擇某一路輸入通道輸出到公共輸出端。另外，電路共有3個使能控制信號，分別是讀寫信號、使能信號EN以及清零信號。清零信號的優先級最高，當為低電平時，所有通道關閉無輸出；讀寫信號具有次優先級，當為低電平時，進行寄存器讀寫操作，否則輸出狀態保持；最后是使能信號EN，當EN為低電平時輸出零，高電平時正常工作（有效）。開關電路的整體工作原理是：在讀寫信號的上升沿時，4位地址寄存器A0～A3存入一組被選擇的地址；在讀寫信號的下降沿且使能信號EN有效時，4位地址寄存器中的地址被譯碼器翻譯并通過電平轉換電路輸出開關控制信號來選中控制某一路通道鏈接到公共輸出端D，從而實現16選1的多路復用功能。基于圖1和電路的工作模式，電路的整體模塊架構如圖2所示，主要包括偏置模塊，地址、使能控制信號輸入及鎖存模塊，電平轉換模塊，譯碼電路模塊，開關傳輸模塊，共5大子模塊電路。

圖1 電路原理框圖

圖2 電路整體模塊架構

3 關鍵模塊設計

3.1 偏置模塊

偏置模塊為一個降壓分壓結構，偏置模塊電路如圖3所示，把高壓的正電源電壓VCC經過穩壓二極管DZ降壓穩壓，然后由三極管NPN1及NPN2構成的復合管降壓并擴流后輸出低壓的偏置電壓VDD（5 V）。VDD經過分壓電阻分壓后，輸出基準參考電壓VREF（1.6 V）；VDD經過后級鏡像電流鏡管處理，輸出高壓的偏置電壓VBAIS。其中，5 V的低壓偏置電壓VDD主要給開關電路后級模塊中的低壓管供電；1.6 V的參考電壓VREF主要供給后級模塊中比較器電路的參考電壓，它是邏輯翻轉電平的參考點；高壓偏置電壓VBAIS主要給后級模塊中的比較器尾電流源供電。

3.2 地址、使能控制信號輸入及鎖存模塊

地址以及使能控制信號模塊均帶有鎖存器，能夠保存輸入狀態供下次調用，地址、使能控制信號輸入及鎖存模塊電路如圖4所示。電路內部的控制信號分別是讀寫信號WR、使能信號EN以及清零信號RS。讀寫信號WR內部通過兩級緩沖器，產生一對互補的時鐘開關信號WRP和WRN，分別作用于地址和使能控制電路中的互補CMOS開關對；清零信號的作用是產生低電平異步清零效果，使得電路內部所有鎖存器的數據清零，它通過兩級緩沖器后輸出RS_IN給使能控制電路；使能信號EN直接輸入使能控制電路的輸入端，它被使能控制電路內部的寄存器保存。使能信號EN為高電平有效時，模擬開關才正常工作，否則在信號控制下，輸出置零或狀態保持。使能控制電路會輸出互補的兩個控制信號COUT_N和COUT_P，來控制電路的工作狀態。本電路具有4路地址輸入端口A0～A3，地址鎖存電路也能保存地址信息供下次調用。這些地址是以二進制編碼的形式編碼，編碼后輸出互補信號AOUT_N和AOUT_P，最后只選擇16個開關通道中的某一路鏈接至公共輸出端口D。地址、使能控制信號輸入及鎖存模塊電路中，每個內部支路除了輸入端口處的比較器由高壓管構成，并由高壓正電源電壓VCC和圖3偏置模塊電路提供的高壓VBAIS偏置外，后級的反相器及MOS傳送門等電路均由低壓管構成，并且由圖3偏置模塊電路中的低壓VDD偏置。采用低壓管的好處是可以顯著提高電路的信號傳遞速度，減小寄生效應的影響[6]。

圖3 偏置模塊電路

3.3 電平轉換模塊

本文所設計的高壓模擬開關電路可由正負雙電源供電，最大供電電壓可達±20 V。因此，圖4所示的前級電路輸出的低壓地址選擇信號和低壓控制信號必須經過電平轉換電路的處理，轉換成正負高壓電源軌電壓輸出信號。電平轉換模塊電路是兩級結構，如圖5所示，每級采用交叉耦合結構的弱正反饋作用，能加速電壓轉換。第一級實現輸入低壓轉換到正高壓電源VCC上，第二級實現轉換到負高壓電源VSS上，這就實現了0 V/5 V的低壓信號到VSS/VCC高壓信號的轉換，其輸出記為LOUT_N和LOUT_P。

圖4 地址、使能控制信號輸入及鎖存模塊電路

圖5 電平轉換模塊電路

3.4 譯碼電路模塊

本文所設計的高壓模擬開關電路內含譯碼電路，可將前級圖5所示的LOUT_N和LOUT_P包含的地址信號或控制信號綜合譯碼，實現16選1的功能，并提供使能控制效果。單個譯碼電路如圖6所示，由16個單譯碼器構成譯碼陣列，每個單譯碼器由4輸入或非門及兩輸入與非門構成。使能控制信號和最低位地址信號A0輸入與非門后，輸出信號給4輸入或非門，或非門其他3位為剩余高位地址信號。只有當控制信號為高電平無效且4位地址輸入全零時，才輸出有效的互補開關控制信號SW_N和SW_P。每個單譯碼器對應一個開關通道，16個單譯碼器陣列在一個固定輸入地址A0～A3期間，只有一個單譯碼器輸出有效，這樣就實現了16通道選1功能。

圖6 單個譯碼電路

3.5 開關傳輸模塊

本文所設計的高壓模擬開關電路具有16路互補的高壓CMOS開關，單個CMOS互補開關電路如圖7所示，單個開關電路中的串聯電阻R、電容C可平衡并降低開關兩端的電荷注入，開關通斷控制信號來自前級圖6所示的高壓開關控制信號SW_N和SW_P。16路互補的高壓CMOS開關鏈接至一個公共輸出端口D，每路開關各自提供一個輸入端口S。至此，就實現了所要設計的帶使能控制的16選1高壓模擬開關電路。

圖7 單個CMOS互補開關電路

4 版圖設計與仿真測試驗證

4.1 版圖設計

該電路版圖由華潤上華科技有限公司高壓工藝制造，電路中的高壓器件全采用工藝庫中耐壓高達50 V以上的器件，低壓器件選用寄生效應小、速度快的5 V器件，全芯片版圖尺寸為3.825 mm×2.825 mm，整體電路版圖如圖8所示。

圖8 整體電路版圖

4.2 仿真分析

選用工藝廠商提供的工藝模型，利用SPECTRE仿真軟件對所設計的電路進行仿真驗證，在全電源電壓范圍（雙電源電壓±4.5～±20 V；單電源電壓4.5～40 V）以及全溫t范圍（-55～125℃）內，電路均能正常工作。以雙電源電壓VCC=+15 V、VSS=-15 V仿真情況為例，對仿真結果進行說明。

CMOS開關導通電阻隨傳輸電壓變化的仿真波形如圖9所示，橫坐標是電源電壓變化，縱坐標是導通電阻的變化。從圖中可以看出，在3個工藝角TT、FF、SS下，傳輸電壓在-10～10 V范圍內，導通電阻的變化曲線呈現典型的“M”字特性，電阻值和電阻的平坦度在規范指標范圍內。在TT典型工藝條件下，電阻值在137.7Ω內，電阻平坦度在40Ω內。

圖9 電路導通電阻仿真結果

圖10是本文所設計的模擬開關電路輸出端兩邊的電荷注入情況，圖中橫坐標是時間變化，縱坐標是D端輸出電壓誤差及控制信號輸入的變化。從圖中可以看出，在TT、FF、SS 3個工藝角下，當控制信號隨著時間變化時，電荷注入也會發生變化，其最大電荷注入為4.5 mV，滿足設計指標要求。

圖10 電路電荷注入仿真結果

圖11是本文所設計的模擬開關電路輸出端兩邊的傳輸延遲仿真結果，橫坐標是時間變化，縱坐標是輸出電壓的變化。從圖中可以看出，隨著時間變化，輸出電壓發生翻轉，其在TT、FF、SS 3個工藝角下的最大傳輸延遲為140.4 ns，典型傳輸延遲約為100 ns，滿足設計指標要求。電路在三溫下的傳輸延遲如表1所示。

圖11 電路傳輸延遲仿真結果

表1 電路在三溫下的傳輸延遲

4.3 測試驗證

所設計的電路在華潤上華科技有限公司高壓工藝線上完成流片，并在中科芯集成電路有限公司檢測中心完成全參數測試，測試合格。本文所設計電路在全電源電壓范圍（雙電源電壓±4.5～±20 V，單電源電壓4.5～40 V）、以及全溫t范圍（-55～125℃）內，電路均能正常工作。在典型條件VCC=+15 V、VSS=-15 V、tA=25℃下的電參數實測數據如表2所示。

表2 電路實測結果

對比表2中的實測數據和指標要求，本文所涉及的模擬開關電路的主要性能指標完全滿足合同指標要求，電路設計獲得成功。再對比實際測試數據和仿真數據可看出部分指標偏離仿真值（比如導通電阻偏大、傳輸延遲偏大等）。導致實測指標與仿真指標偏離的原因主要為：1）電路及器件的仿真模型均為近似模型，不能完全真實反映實際客觀情況，會存在微小的誤差；2）流片工藝制造過程中，由機器或者人為因素引入偏差；3）后續加工工藝引入的偏差，比如封裝時引腳接觸電阻會增大導通電阻等。因此，保證仿真結果與性能指標要求之間留有足夠的余量，才能避免上述客觀原因導致的誤差，使得測試結果超出合同性能指標要求。

5 結論

本文基于國內自主可控的高壓MOS工藝，設計了一款帶使能控制的16選1高壓模擬開關電路，電路主要通過帶鎖存器結構的4位二進制地址來選擇16個傳輸通道，并由讀寫控制端口來觸發地址寄存器的工作狀態，以確定16個傳輸通道的某一個鏈接至公共輸出端口，以實現16選1的功能。本文所設計的模擬開關電路具有耐壓高、傳輸速度快、帶各種使能控制以及導通電阻較低等優點，可以傳輸寬電源范圍內的模擬信號，電路功能與電參數達到設計指標要求，產品已經通過用戶試用和鑒定驗收。