一种高性能模拟开关的设计与实现

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近年来,模拟集成电路高速发展。模拟开关已经扩展到了许多的领域,例如医疗器械、音频播放器、高速存储类的接口等。模拟开关不仅在生活领域经常被使用到,在军事、航天航空领域也离不开。模拟开关以其易于集成化、功能强而受到大众的欢迎。模拟开关是控制信号的导通和关闭,追求将信号完好的传输,这就要求模拟开关的性能要好。设计时,需要考虑模拟开关的信号传输频率,要适应高速的信号传输。还要考虑信号通道之间的匹配度、减小导通电阻、提高信号传输的线性度、增大隔离度和串扰度等。因此,提高信号的传输能力对于模拟开关来说很关键。(1)此文设计的电路主要针对模拟开关在速度、信号传输范围、信号传输线性度、导通电阻等方面完成一种高性能模拟开关的研究。首先,分析了模拟开关的工作原理和性能指标。分析了传统电荷泵的结构,提出一种能降低导通电阻、快速上电的电荷泵结构。利用了电荷泵结构,控制开关MOS晶体管的开启。采用动态比较器结构,增强了信号传输的能力。研究了电路传输信号的隔离度、失真率、插入损耗和导通电阻等参数。详细说明了电路的工作过程,并指出了是如何实现电路的功能和性能。通过优化电路的设计,使电路达到设计的要求。(2)此设计通过了软件的仿真使性能达到了设计指标,再通过工厂加工芯片、绘制PCB板,把芯片放在PCB板,测试芯片,进行了验证。电路是采用了0.18μm CMOS工艺,设计了一种导通电阻低、带宽高、功耗低、能传输负信号、漏电电流低、有过压保护能力的双刀双掷模拟开关电路。主要的电路包括振荡器、分频器、电荷泵、与电源电压成正相关变化的输出电压电路、过压保护电路等。(3)通过软件前仿真,模拟开关的-3d B带宽为10.53GHz,隔离度为106.1d B,串扰度为105.1d B,失真率加噪声为0.0015%,漏电电流小于25n A。测试结果表明,整体电路电源电流小于20μA,导通电阻为3.8Ω左右,具有良好的信号传输能力。信号传输范围-2.3V到5V,电阻平坦度0.3Ω。此外,电路开启时间5.4μs,电路关闭时间4.0μs。过压保护能力在预计的指标之内。整体芯片面积为970μm×695μm。
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