И. А. ДАНИЛОВ, А. А. ЛЕБЕДЕВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
АНАЛОГОВЫЙ КЛЮЧ С МУЛЬТИТАКТНОЙ
СЛЕДЯЩЕЙ ВОЛЬТОДОБАВКОЙ
Рассматривается модификация аналогового ключа со следящей вольтодобавкой, обладающая повышенным быстродействием.
В аналоговых и аналого-цифровых схемах широко применяются аналоговые ключи (АК), к которым предъявляются повышенные требования по скорости переключения и по минимизации искажения передаваемого сигнала.
Основными характеристиками АК являются: диапазон передаваемого сигнала, зависимость проводимости открытого ключа от входного сигнала и сопротивление закрытого ключа. Основные источники ошибок в ключевых схемах – инжекция заряда в нагрузку, сквозное прохождение наводок тактового сигнала и нелинейность проводимости ключа.
Ключ со следящей вольтодобавкой (bootstrapped switch) обеспечивает широкий диапазон передаваемого сигнала и высокую линейность проводимости открытого ключа в зависимости от входного сигнала во всем диапазоне. В таком ключе потенциал на затворе ключевого транзистора поднимается выше уровня питания и зависит от входного напряжения, а напряжение «затвор-исток» остается по-стоянным, не превышая кри-тического значения.
Упрощенная схема ключа со следящей вольтодобавкой изображена на рисунке. Управляющие ключи S1-5 выполняются в виде проходных МОП-транзисторов. В открытом состоянии ключа между затвором и истоком ключевого транзистора подключается емкость, заряженная до напряжения питания. Таким образом, схема работает в двухтактном режиме. Во время первого такта ключ закрыт и емкость вольтодобавки заряжается до напряжения питания, во время второго такта ключ открыт и емкость включается между затвором и истоком ключевого транзистора. Для повышения быстродействия требуется понижать емкость вольтодобавки, но ее минимальное значение ограничено возможностями технологии и влиянием паразитных эффектов.
В предложенной модификации схема состоит из двух ключевых МОП-транзисторов с подключенными к ним схемами вольтодобавки (аналогичных изображенной на рисунке), соединенных параллельно и работающих последовательно в целях повышения быстродействия при сохранении точности. Работу такой схемы условно можно разбить на четыре такта. Во время второго и четвертого такта ключ открыт, первая схема вольтодобавки работает во время второго такта, вторая – во время четвертого. Таким образом, емкость вольтодобавки заряжается в три раза дольше, чем происходит ее разряд при подключении ее между истоком и затвором открытого ключа, что обеспечивает возможность повышения частоты тактовых импульсов.
Рассмотренные ключи были промоделированы на САПР с применением моделей 180 нм КМОП. Предельная частота сэмплирования ключа со следящей вольтодобавкой составляет 500 МГц, модифицированного ключа – 833 МГц. Предельная частота соответствует частоте, на которой максимальная ошибка передачи входного сигнала равняется 2%. Таким образом, модифицированная схема обеспечивает повышение быстродействия, однако занимаемая площадь существенно увеличивается.
Список литературы
1. Dessouky M., Kaiser A., Very Low-Voltage Digital-Audio ΔΣ Modulator with 88-dB Dynamic Range Using Local Switch Bootstrapping, IEEE JSSC, Vol. 36, No. 3, March 2001.
2. , Неидеальности проходного МОП аналогового ключа и методы их уменьшения, MIET TCS Design.
3. , , Аналоговые ключи для 12-разрядного конвейерного АЦП // Науч.. сессия МИФИ-2007: Сб. науч. тр. В 17 т. М.: МИФИ, 2007. Т. 1. С. 125-126.
4. , , Сравнительный анализ вариантов схемотехнической реализации аналоговых ключей по субмикронной КМОП технологии // Науч.. сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр. В 16 т. М.: МИФИ, 2006. Т.1 С. 114-115.
