基于 BCD工藝的模擬多路復用器設計

臧凱旋，范曉捷，丁 寧

（中國電子科技集團公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

基于 BCD工藝的模擬多路復用器設計

臧凱旋，范曉捷，丁 寧

（中國電子科技集團公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

基于 BCD 工藝設計了一款模擬多路復用器。電路支持單電源或雙電源供電 （單電源2.5～5.5V，雙電源±2.5 V），內含 32 個 CMOS 開關，通過 5～32 譯碼器實現 32 選 1 功能。采用 SM IC 0.18μmBCD 工藝流片，電路經測試驗證，關鍵參數導通電阻和傳輸延遲達到設計要求。

CMOS開關；電平轉換

1 引言

多路復用器（MULTIPLEXER，也稱為數據選擇器）用來選擇數字信號通路；模擬開關傳遞模擬信號，因為數字信號也是高低兩個模擬電壓組成的，所以模擬開關也能傳輸數字信號。在CMOS多路復用器中，因為其數據通道也是模擬開關的結構，所以也能用于選擇多路模擬信號。用CMOS多路復用器傳遞模擬信號時需注意，模擬信號的變化值必須在正負電源電壓之間，當傳遞有正負半周的正弦波時，必須使用正負電源且電源電壓大于傳遞的模擬信號峰值，這時其控制或者地址信號必須以負電源電壓為0，以正電源電壓為 1[1～2]。

本文介紹了一款通用的模擬多路復用器，電路實現32選1的功能，可以傳輸在電源范圍內的模擬信號，具有較快的傳輸速度以及較低的導通電阻。電路基于 BCD 工藝設計制作，性能可靠，實用性強[3]。

2 電路整體結構和功能分析

本文設計的模擬多路復用器由 CMOS 開關、輸入串行寄存器模塊組成，如圖1所示。

圖1 總體電路框圖

該產品為 32路選 1 模擬多路復用器，從端口S1～S32 輸入32路信號，其中一路開關導通，從端口D輸出信號。輸入串行寄存器模塊包含8位寄存器、5位鎖存器以及5～32的譯碼器[2]。輸入時鐘信號SCLK控制數據的輸入，在時鐘的下降沿時存儲數據。當SYNC變?yōu)榈碗娖?，在時鐘SCLK的下降沿，數據從端口DIN輸入，存儲于寄存器單元，直到寄存器單元存儲8位數據，其中5位地址經過5～32譯碼器的譯碼，控制32位開關中的一位導通。

3 關鍵模塊設計

3.1 電平轉換電路

輸入串行寄存器模塊的輸入信號為數字邏輯電平，如圖2所示，本模塊將邏輯高電平轉變?yōu)檎娫?，低電平轉換為負電源的模擬信號；邏輯信號經過前兩級反相器轉換為高電平為正電源電壓、低電平為地的信號；這個信號再通過下一級轉換為高電平為正電源電壓、低電平為負電源電壓的信號；最后一級結構將轉換后的信號整形。

圖2 電平轉換電路

3.2 輸入串行寄存器結構

如圖3所示，輸入串行寄存器結構的主要功能為實現 32 選 1 的功能。SYNC 變?yōu)榈碗娖?，在時鐘SCLK 的下降沿，數據從端口 D 串行輸入，存儲于寄存器單元，直到寄存器單元存儲8位數據，其中前 5 位數據為地址，存儲于鎖存器中；5位被鎖存的地址通過5～32 譯碼器實現 32 選 1 的功能。

圖3 輸入串行寄存器結構

圖4 CMOS開關

圖5 浮動襯底結構

3.3 CMOS 開關電路

由于襯底偏置效應的影響，CMOS導通電阻在不同輸入電壓下差異非常大，通道導通電阻平滑度較差；為此，電路采用浮動襯底結構，如圖4 、圖5 所示。開關管的襯底分別接在浮動電位nsub、psub上；當開關關斷時，nsub連接到VDD，psub連接到VSS，防止出現源端和襯底的 PN 結導通的情況；當開關開啟時，襯底根據輸入端電位調整，減小襯底偏置效應，同時保證反偏 PN 結關斷[4～5]。

4 版圖設計與仿真測試驗證

4.1 版圖設計

該電路版圖采用 SMIC0.18μmBCD工藝設計規(guī)則進行設計，芯片面積 3.0mm×3.0mm，如圖6所示。

圖6 電路版圖設計

4.2 仿真分析

選用SMIC 0.18μmBCD 工藝模型，在電源電壓VDD為 2.5～5.5 V、±2.5V以及全溫 T 在-55～125 ℃范圍內，利用 HSPICE 仿真軟件對所設計的電路進行仿真驗證。下邊以電源電壓VDD=5V時的仿真情況為例，對仿真結果進行說明。

圖7是對 CMOS開關導通電阻隨傳輸電壓變化的仿真波形，從圖中可以看出，傳輸電壓在 0～5 V電源電壓范圍內，溫度分別為-55℃、25℃、125℃，導通電阻的變化曲線、電阻的平滑度在1Ω范圍內。

圖7 CMOS導通電阻

表1 CMOS導通電阻仿真結果

傳輸的延遲時間為時鐘下降沿到數據傳輸到輸出端，本電路的延遲時間仿真波形如圖8 所示。

圖8 傳輸延遲時間仿真驗證

表2 CMOS傳輸延遲仿真結果

4.3 測試驗證

電路在 SMIC 0.18μmBCD工藝線上完成流片，電路功能與電參數達到設計要求。在電源電壓VDD為2.5～5.5 V、±2.5V以及全溫T為-55～125℃范圍內，電路均能正常工作。在VDD=5V時，電參數的實測與仿真數據如表3所示。

表3 電路實測結果

經表3仿真與實測數據的對比分析可知，導通電阻、傳輸延遲等參數實測結果與仿真一致，符合設計預期。

5 結論

基于0.18μmBCD 工藝，設計了一款通用的模擬多路復用器，實現32選1的功能，可以傳輸在電源范圍內的模擬信號，具有較快的傳輸速度、較低的導通電阻。功能與電參數達到設計要求，符合預期。

[1]畢查德·拉扎維．模擬 CMOS 集成電路設計 [M]．西安：西安交通大學出版社，2003.

[2]蘇晨，張世文，石紅．一種單刀雙擲高速模擬開關的研制[J].微電子學，2006，36(6)：814-816．

[3]吳建輝．CMOS 模擬集成電路分析與設計 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]李洪明．數字集成電路講座第八講：模擬開關[J]．電子時間，1999，30(3)：49-50．

[5]何茗，楊謨華．一種高性能高動態(tài)范圍 CMOS 模擬開關[J].微電子學，2004，34(4)：479-481．

Design of BCD-Based Analog M ultip lexer

ZANG Kaixuan,FAN Xiaojie,DINGNing
（China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

In the article,an analogmultiplexerbased on BCD technology ispresented.The device isdesigned to operate on eitherAsingle or double supply （single supply：2.5～5.5 V;double supply: ±2.5 V）.The device includes 32 CMOS sw itches and achieves 1/32 function choice using 5～32 decoder.The circuit is of SM IC 0.18μmBCD technology.Test results show that key parameters of conduction resistance and transmission delaymeet thedesign requirements.

CMOSsw itch;levelshift

TN402

A

1681-1070 （2017） 03-0029-03

臧凱旋（1986—），男，安徽碭山人，2013 年畢業(yè)于電子科技大學微電子與固體電子學院，碩士學歷，現在中國電子科技集團公司第 58研究所從事模擬集成電路設計研發(fā)工作，主要研究方向為模擬開關、存儲器等。

2016-7-14