一種帶使能控制的16選1高壓模擬開關(guān)電路的設(shè)計(jì)

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(guān)主要完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換功能，通常具有傳輸速度快、導(dǎo)通電阻小、通道隔離度高等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于微處理器中的交互接口、通信系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)等開關(guān)應(yīng)用電路中?，F(xiàn)在，隨著通信系統(tǒng)和微處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)其內(nèi)部的工作電壓要求越來越高，而且為了滿足其日益復(fù)雜的邏輯控制，常常需要帶各種使能控制的模擬開關(guān)。另外，模擬開關(guān)工作時(shí)，不僅可以傳遞模擬信號(hào)還可以傳遞數(shù)字信號(hào)，但值得注意的是，模擬信號(hào)的變化值（幅度）必須在正負(fù)電源電壓之間，當(dāng)采用高壓模擬開關(guān)時(shí)，信號(hào)鏈路中傳遞的信號(hào)幅度變化范圍就可擴(kuò)展得很大。

本文設(shè)計(jì)了一款帶使能控制的16選1高壓模擬開關(guān)電路，通過4位二進(jìn)制地址來控制16個(gè)傳輸通道的選擇，并由讀寫控制端口來觸發(fā)地址寄存器的工作狀態(tài)，以確定16個(gè)傳輸通道的某一個(gè)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(shè)計(jì)的這款高壓模擬開關(guān)電路耐壓高、速度快、帶各種控制功能，且性能可靠，實(shí)用性強(qiáng)[1]。

2 電路整體結(jié)構(gòu)和功能分析

本文介紹的高壓模擬開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該開關(guān)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(gè)使能控制信號(hào)，分別是讀寫信號(hào)、使能信號(hào)EN以及清零信號(hào)。清零信號(hào)的優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)為低電平時(shí)，所有通道關(guān)閉無輸出；讀寫信號(hào)具有次優(yōu)先級(jí)，當(dāng)為低電平時(shí)，進(jìn)行寄存器讀寫操作，否則輸出狀態(tài)保持；最后是使能信號(hào)EN，當(dāng)EN為低電平時(shí)輸出零，高電平時(shí)正常工作（有效）。開關(guān)電路的整體工作原理是：在讀寫信號(hào)的上升沿時(shí)，4位地址寄存器A0～A3存入一組被選擇的地址；在讀寫信號(hào)的下降沿且使能信號(hào)EN有效時(shí)，4位地址寄存器中的地址被譯碼器翻譯并通過電平轉(zhuǎn)換電路輸出開關(guān)控制信號(hào)來選中控制某一路通道鏈接到公共輸出端D，從而實(shí)現(xiàn)16選1的多路復(fù)用功能?；趫D1和電路的工作模式，電路的整體模塊架構(gòu)如圖2所示，主要包括偏置模塊，地址、使能控制信號(hào)輸入及鎖存模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊，譯碼電路模塊，開關(guān)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(gòu)

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 偏置模塊

偏置模塊為一個(gè)降壓分壓結(jié)構(gòu)，偏置模塊電路如圖3所示，把高壓的正電源電壓VCC經(jīng)過穩(wěn)壓二極管DZ降壓穩(wěn)壓，然后由三極管NPN1及NPN2構(gòu)成的復(fù)合管降壓并擴(kuò)流后輸出低壓的偏置電壓VDD（5 V）。VDD經(jīng)過分壓電阻分壓后，輸出基準(zhǔn)參考電壓VREF（1.6 V）；VDD經(jīng)過后級(jí)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(guān)電路后級(jí)模塊中的低壓管供電；1.6 V的參考電壓VREF主要供給后級(jí)模塊中比較器電路的參考電壓，它是邏輯翻轉(zhuǎn)電平的參考點(diǎn)；高壓偏置電壓VBAIS主要給后級(jí)模塊中的比較器尾電流源供電。

3.2 地址、使能控制信號(hào)輸入及鎖存模塊

地址以及使能控制信號(hào)模塊均帶有鎖存器，能夠保存輸入狀態(tài)供下次調(diào)用，地址、使能控制信號(hào)輸入及鎖存模塊電路如圖4所示。電路內(nèi)部的控制信號(hào)分別是讀寫信號(hào)WR、使能信號(hào)EN以及清零信號(hào)RS。讀寫信號(hào)WR內(nèi)部通過兩級(jí)緩沖器，產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的時(shí)鐘開關(guān)信號(hào)WRP和WRN，分別作用于地址和使能控制電路中的互補(bǔ)CMOS開關(guān)對(duì)；清零信號(hào)的作用是產(chǎn)生低電平異步清零效果，使得電路內(nèi)部所有鎖存器的數(shù)據(jù)清零，它通過兩級(jí)緩沖器后輸出RS_IN給使能控制電路；使能信號(hào)EN直接輸入使能控制電路的輸入端，它被使能控制電路內(nèi)部的寄存器保存。使能信號(hào)EN為高電平有效時(shí)，模擬開關(guān)才正常工作，否則在信號(hào)控制下，輸出置零或狀態(tài)保持。使能控制電路會(huì)輸出互補(bǔ)的兩個(gè)控制信號(hào)COUT_N和COUT_P，來控制電路的工作狀態(tài)。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(diào)用。這些地址是以二進(jìn)制編碼的形式編碼，編碼后輸出互補(bǔ)信號(hào)AOUT_N和AOUT_P，最后只選擇16個(gè)開關(guān)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(hào)輸入及鎖存模塊電路中，每個(gè)內(nèi)部支路除了輸入端口處的比較器由高壓管構(gòu)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(jí)的反相器及MOS傳送門等電路均由低壓管構(gòu)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(hào)傳遞速度，減小寄生效應(yīng)的影響[6]。

圖3 偏置模塊電路

3.3 電平轉(zhuǎn)換模塊

本文所設(shè)計(jì)的高壓模擬開關(guān)電路可由正負(fù)雙電源供電，最大供電電壓可達(dá)±20 V。因此，圖4所示的前級(jí)電路輸出的低壓地址選擇信號(hào)和低壓控制信號(hào)必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路的處理，轉(zhuǎn)換成正負(fù)高壓電源軌電壓輸出信號(hào)。電平轉(zhuǎn)換模塊電路是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，每級(jí)采用交叉耦合結(jié)構(gòu)的弱正反饋?zhàn)饔?，能加速電壓轉(zhuǎn)換。第一級(jí)實(shí)現(xiàn)輸入低壓轉(zhuǎn)換到正高壓電源VCC上，第二級(jí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換到負(fù)高壓電源VSS上，這就實(shí)現(xiàn)了0 V/5 V的低壓信號(hào)到VSS/VCC高壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其輸出記為LOUT_N和LOUT_P。

圖4 地址、使能控制信號(hào)輸入及鎖存模塊電路

圖5 電平轉(zhuǎn)換模塊電路

3.4 譯碼電路模塊

本文所設(shè)計(jì)的高壓模擬開關(guān)電路內(nèi)含譯碼電路，可將前級(jí)圖5所示的LOUT_N和LOUT_P包含的地址信號(hào)或控制信號(hào)綜合譯碼，實(shí)現(xiàn)16選1的功能，并提供使能控制效果。單個(gè)譯碼電路如圖6所示，由16個(gè)單譯碼器構(gòu)成譯碼陣列，每個(gè)單譯碼器由4輸入或非門及兩輸入與非門構(gòu)成。使能控制信號(hào)和最低位地址信號(hào)A0輸入與非門后，輸出信號(hào)給4輸入或非門，或非門其他3位為剩余高位地址信號(hào)。只有當(dāng)控制信號(hào)為高電平無效且4位地址輸入全零時(shí)，才輸出有效的互補(bǔ)開關(guān)控制信號(hào)SW_N和SW_P。每個(gè)單譯碼器對(duì)應(yīng)一個(gè)開關(guān)通道，16個(gè)單譯碼器陣列在一個(gè)固定輸入地址A0～A3期間，只有一個(gè)單譯碼器輸出有效，這樣就實(shí)現(xiàn)了16通道選1功能。

圖6 單個(gè)譯碼電路

3.5 開關(guān)傳輸模塊

本文所設(shè)計(jì)的高壓模擬開關(guān)電路具有16路互補(bǔ)的高壓CMOS開關(guān)，單個(gè)CMOS互補(bǔ)開關(guān)電路如圖7所示，單個(gè)開關(guān)電路中的串聯(lián)電阻R、電容C可平衡并降低開關(guān)兩端的電荷注入，開關(guān)通斷控制信號(hào)來自前級(jí)圖6所示的高壓開關(guān)控制信號(hào)SW_N和SW_P。16路互補(bǔ)的高壓CMOS開關(guān)鏈接至一個(gè)公共輸出端口D，每路開關(guān)各自提供一個(gè)輸入端口S。至此，就實(shí)現(xiàn)了所要設(shè)計(jì)的帶使能控制的16選1高壓模擬開關(guān)電路。

圖7 單個(gè)CMOS互補(bǔ)開關(guān)電路

4 版圖設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試驗(yàn)證

4.1 版圖設(shè)計(jì)

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(dá)50 V以上的器件，低壓器件選用寄生效應(yīng)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(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)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(nèi)，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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行說明。

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

圖9 電路導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果

圖10是本文所設(shè)計(jì)的模擬開關(guān)電路輸出端兩邊的電荷注入情況，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間變化，縱坐標(biāo)是D端輸出電壓誤差及控制信號(hào)輸入的變化。從圖中可以看出，在TT、FF、SS 3個(gè)工藝角下，當(dāng)控制信號(hào)隨著時(shí)間變化時(shí)，電荷注入也會(huì)發(fā)生變化，其最大電荷注入為4.5 mV，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖10 電路電荷注入仿真結(jié)果

圖11是本文所設(shè)計(jì)的模擬開關(guān)電路輸出端兩邊的傳輸延遲仿真結(jié)果，橫坐標(biāo)是時(shí)間變化，縱坐標(biāo)是輸出電壓的變化。從圖中可以看出，隨著時(shí)間變化，輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其在TT、FF、SS 3個(gè)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(shè)計(jì)指標(biāo)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(jié)果

表1 電路在三溫下的傳輸延遲

4.3 測(cè)試驗(yàn)證

所設(shè)計(jì)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(cè)中心完成全參數(shù)測(cè)試，測(cè)試合格。本文所設(shè)計(jì)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(nèi)，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(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電路實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)比表2中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和指標(biāo)要求，本文所涉及的模擬開關(guān)電路的主要性能指標(biāo)完全滿足合同指標(biāo)要求，電路設(shè)計(jì)獲得成功。再對(duì)比實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)可看出部分指標(biāo)偏離仿真值（比如導(dǎo)通電阻偏大、傳輸延遲偏大等）。導(dǎo)致實(shí)測(cè)指標(biāo)與仿真指標(biāo)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(shí)反映實(shí)際客觀情況，會(huì)存在微小的誤差；2）流片工藝制造過程中，由機(jī)器或者人為因素引入偏差；3）后續(xù)加工工藝引入的偏差，比如封裝時(shí)引腳接觸電阻會(huì)增大導(dǎo)通電阻等。因此，保證仿真結(jié)果與性能指標(biāo)要求之間留有足夠的余量，才能避免上述客觀原因?qū)е碌恼`差，使得測(cè)試結(jié)果超出合同性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文基于國內(nèi)自主可控的高壓MOS工藝，設(shè)計(jì)了一款帶使能控制的16選1高壓模擬開關(guān)電路，電路主要通過帶鎖存器結(jié)構(gòu)的4位二進(jìn)制地址來選擇16個(gè)傳輸通道，并由讀寫控制端口來觸發(fā)地址寄存器的工作狀態(tài)，以確定16個(gè)傳輸通道的某一個(gè)鏈接至公共輸出端口，以實(shí)現(xiàn)16選1的功能。本文所設(shè)計(jì)的模擬開關(guān)電路具有耐壓高、傳輸速度快、帶各種使能控制以及導(dǎo)通電阻較低等優(yōu)點(diǎn)，可以傳輸寬電源范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，電路功能與電參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，產(chǎn)品已經(jīng)通過用戶試用和鑒定驗(yàn)收。