优化的低Ron平坦度栅极驱动器的制作方法

优化的低ron平坦度栅极驱动器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年7月20日提交的标题为“优化的低ron平坦度栅极(optimized low ron flatness gate)”的美国临时申请no.63/053,879的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本说明书总体涉及模拟开关。


背景技术：

4.模拟信号开关用于将来自多个源的输入和输出聚合到信号链中进行处理。例如，在商用hvac系统中，来自几个温度传感器的输入信号可以经由模拟开关多路复用到单个放大器或模数(a/d)转换器中。
5.现有模拟开关的缺点是它们将误差引入信号链。由于被施加以偏置模拟开关的栅源电压(vgs)中的变化，开关的导通电阻ron改变，这将误差引入信号链。


技术实现要素：

6.在一方面，一种开关包括：第一场效应晶体管(fet)，其具有耦合到输入电压端子的第一端子、耦合到公共源极的第二端子以及耦合到公共栅极的控制端子。该开关包括：第二fet，其具有耦合到输出电压端子的第一端子、耦合到公共源极的第二端子以及耦合到公共栅极的控制端子。该开关包括：开关电流源，其具有耦合到高压电源端子的输入端和耦合到公共栅极的输出端。开关电流源向公共栅极供应栅极电流。该开关包括耦合在公共栅极与低压电源端子之间的第三fet。当第三fet导通时，第三fet将公共栅极连接到低压电源端子，并且当第三fet截止时，第三fet将公共栅极与低压电源端子断开。该开关包括耦合在公共源极与低压电源端子之间的第四fet。当第四fet导通时，第四fet将公共源极连接到低压电源端子，并且当第四fet截止时，第四fet将公共源极端子与低压电源端子断开。该开关包括：箝位电路，其具有耦合到公共栅极的第一端子、耦合到公共源极的第二端子以及适于耦合到低压电源端子的第三端子。箝位电路箝位跨公共栅极和公共源极的电压，以防止对第一fet和第二fet的损坏并偏置fet。
7.在另一方面，箝位电路包括：nfet，其具有耦合到公共栅极的漏极、耦合到漏极的栅极以及源极。箝位电路包括：源极跟随器p沟道场效应晶体管(pfet)，其具有耦合到第三nfet的源极的源极、耦合到公共源极的栅极以及耦合到低压端子的漏极。
8.在另一方面，开关电流源包括：第一电流镜，其具有耦合成接收输入电流的第一端子和耦合到低压端子的第二端子。第一电流镜提供第一镜像电流。开关电流源包括：第二电流镜，其具有耦合到高压端子的第一端子和耦合成接收第一镜像电流的第二端子。第二电流镜向公共栅极供应栅极电流。开关电流源包括：nfet，其具有耦合到第一电流镜的源极、耦合到第二电流镜的漏极以及适于耦合成接收使能信号的栅极。nfet响应于使能信号将第
一电流镜耦合到第二镜。
9.在另一方面，一种开关包括：第一n沟道场效应晶体管(nfet)，其具有耦合到输入电压端子的漏极、耦合到公共源极的源极以及耦合到公共栅极的栅极。该开关包括：第二nfet，其具有耦合到输出电压端子的漏极、耦合到公共源极的源极以及耦合到公共栅极的栅极。该开关包括：开关电流源，其具有耦合到高压电源端子的输入端和耦合到公共栅极的输出端。开关电流源向公共栅极供应栅极电流。该开关包括：第三nfet，其具有耦合到公共栅极的漏极、耦合到低压电源端子的源极以及适于耦合成接收禁止信号的栅极。第三nfet响应于接收到禁止信号，将公共栅极连接到低压电源端子，并且当禁止信号被去除时，将公共栅极与低压电源端子断开。该开关包括：第四nfet，其具有耦合到公共源极的漏极、耦合到低压电源端子的源极以及耦合成接收禁止信号的栅极。第四nfet响应于接收到禁止信号，将公共源极连接到低压电源端子，并且当禁止信号被去除时，将公共源极与低压电源端子断开。该开关包括：箝位电路，其具有耦合到公共栅极的第一端子、耦合到公共源极的第二端子以及适于耦合到低压电源端子的第三端子。箝位电路箝位跨公共栅极和公共源极的电压。
10.在另一方面，开关电流源包括：第五nfet，其具有适于耦合成接收输入电流的漏极、耦合到低压电源端子的源极以及耦合到漏极的栅极。开关电流源包括：第六nfet，其具有漏极、耦合到低压电源端子的源极以及耦合到第五nfet的栅极的栅极。第六nfet镜像输入电流。
11.在另一方面，开关电流源包括：第一p沟道场效应晶体管(pfet)，其具有耦合到高压电源端子的源极、漏极以及耦合到漏极的栅极。开关电流源包括：第二pfet，其具有耦合到高压电源端子的源极、耦合到公共栅极的漏极以及耦合到第一pfet的栅极的栅极。第二pfet镜像通过第一pfet的电流，并将栅极电流供应到公共栅极。开关电流源包括：第七nfet，其具有耦合到第一pfet的漏极的漏极、耦合到第六nfet的漏极的源极以及适于耦合成接收使能信号的栅极。响应于使能信号，第七nfet将第六nfet耦合到第一pfet。
12.在另一方面，箝位电路包括：第八nfet，其具有耦合到公共栅极的漏极、耦合到漏极的栅极以及源极。箝位电路包括：源极跟随器pfet，其具有耦合到第八nfet的源极的源极、耦合到公共源极的栅极以及耦合到低压端子的漏极。
附图说明
13.图1是示例性实施例的模拟开关的框图。
14.图2是示例性实施例的模拟开关的示意图。
15.图3a-图3b和图4示出示例性实施例的模拟开关中的模拟波形。
16.在附图中使用相同的附图标记或其他附图标志表示相同或相似(功能和/或结构)特征。
具体实施方式
17.图1是示例性实施例的模拟开关100的框图。模拟开关100可以用于例如将来自多个源的输入和输出聚合到信号链中，或者多路复用来自多个源的输入。开关100包括跟踪输入电压vin的箝位电路clamp 164。输入电压vin用作参考，以产生浮动栅极-源极电压。在开
关100的公共栅极与公共源极之间施加浮动栅极-源极电压(也称为箝位电压vclamp)以偏置开关100。箝位电路clamp 164增加了开关100的导通电阻ron平坦度的范围，同时用低栅极-源极电压偏置开关100。用低栅极-源极电压偏置开关100的优点在于不需要电荷泵来导通开关100，这减少了在半导体集成电路(ic)中制造开关100所需的管芯面积(例如，开关100可以在单个半导体管芯上实现)。
18.开关100包括：第一fet mn1，其具有耦合到输入电压端子106的第一端子104(例如，漏极)和耦合到第一公共端子110(称为公共源极110)的第二端子108(例如，源极)。fet mn1具有耦合到第二公共端子116(称为公共栅极116)的控制端子114(例如，栅极)。开关100包括：第二fet mn2，其具有适于耦合到输出电压端子122的第一端子120(例如，漏极)，并且具有耦合到公共源极110的第二端子124(例如，源极)。fet mn2具有耦合到公共栅极116的控制端子128(例如，栅极)。在一个示例性实施例中，mn1和mn2是背对背耦合(例如，fet mn1和fet mn2的源极耦合在一起)的高压fet。
19.开关100包括：开关电流源i_sc，其具有耦合到电压供应端子132的输入端130和耦合到公共栅极116的输出端134。开关电流源i_sc向公共栅极116供应栅极电流(例如，具有大约55ua的i_sc的大小)，以导通/截止fet mn1和fet mn2。开关电流源i_sc的优点在于，当开关100处于截止状态时它允许较低的截止电流。在其他实施例中，可以使用恒流源代替开关电流源i_sc。高压电源端子132可以耦合到高压电源vdd(例如，大约24v)。高压电源端子132可以是供应高于mn1和mn2的氧化物击穿电压的电压的电压源。
20.开关100包括耦合在公共栅极116与低压电源端子140之间的第三fet mn3。当mn3导通(即，闭合)时，fet mn3将公共栅极116耦合到低压电源端子140，并且当mn3截止(即，断开)时，fet mn3将公共栅极116与低压电源端子140断开。低压电源端子140可以经由二极管d1(例如，肖特基二极管)耦合到低压电源vss(例如，接地或大约-24v)。
21.开关100包括耦合在公共源极110与低压电源端子140之间的第四fet mn4。当mn4导通(即，闭合)时，fet mn4将公共源极110耦合到低压电源端子140，并且当mn4截止(即，断开)时，将公共源极110与低压电源端子140断开。
22.在一个示例性实施例中，mn1是具有漏极(104)、源极(108)和栅极(114)的n沟道金属氧化物硅场效应晶体管(nfet)，并且mn2是具有漏极(120)、源极(124)和栅极(128)的nfet。源极108和124耦合以形成公共源极110，并且栅极114和128耦合以形成公共栅极116。输入电压端子106可以耦合到输入电压vin，高压端子132可以耦合到高压电源vdd，并且低压端子140可以耦合到低压电源vss。开关100在输出端子122处提供输出电压vout。
23.开关100包括：箝位电路164，其具有耦合到公共栅极116的第一端子166、耦合到公共源极110的第二端子168以及适于耦合到低压电源端子140的第三端子170。箝位电路164跨公共栅极116和公共源极110施加箝位电压vclamp。如下所述，箝位电压vclamp偏置mn1和mn2，并保护mn1和mn2免受损坏。在一个示例性实施例中，vclamp被设置在足以偏置mn1和mn2的vgs(栅极-源极电压)的水平(例如，小于3.0v或2.5v)，并且在mn1和mn2的安全操作电压范围内。
24.图2是示例性实施例的开关100的示意图。开关100包括：nfet mn1，其具有漏极104、源极108和栅极114。开关100包括：nfet mn2，其具有漏极122、源极124和栅极128。源极108和124耦合以形成公共源极110，并且栅极114和128耦合以形成公共栅极116。
25.开关100包括：nfet mn3，其具有耦合到公共栅极116的漏极150并且具有耦合到低压端子140的源极152。开关100包括：nfet mn4，其具有耦合到公共源极110的漏极156并且具有耦合到低压端子140的源极158。fet mn3和fet mn4具有耦合成接收禁止信号disable的相应的栅极154和155。在图2所示的示例性实施例中，晶体管mn3和mn4的背栅连接到低压电源端子140。
26.在一个示例性实施例中，低压电源端子140经由二极管d1耦合到低压电源vss，并且在一些示例性实施例中，还经由二极管d2耦合到输入电压vin。二极管d1和d2共同用作“二极管or”，其将d1和d2的阳极设置在等于vin或vss中较低者的电压电平。其效果是，当vss》vin以及还当vin《vss时，通过将公共源极110拉到vin和vss中的较低者，可以使开关100截止并且防止从vin到vss的体二极管(图2中未示出)传导。
27.在一个示例性实施例中，开关电流源i_sc由第一电流镜cm1和第二电流镜cm2实现，第一电流镜cm1和第二电流镜cm2通过fet mn7耦合在一起以导通开关100。第一电流镜cm1包括：第五nfet mn5，其具有适于耦合成接收输入电流is的漏极210，并且具有耦合到低压电源端子140的源极212。nfet mn5具有耦合到漏极210的栅极214。第一电流镜cm1包括：第六nfet mn6，其具有漏极220、耦合到低压电源端子140的源极222以及耦合到mn4的栅极214的栅极224。第六nfet mn6镜像流经mn5的输入电流is。
28.第二电流镜cm2包括：第一p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(pfet)mp1，其具有耦合到高压电源端子130的源极230、漏极232以及耦合到漏极232的栅极234。第二电流镜cm2包括：第二pfet mp2，其具有耦合到高压电源端子130的源极240、耦合到公共栅极116的漏极242以及耦合到pfet mp1的栅极234的栅极244。第二pfet mp2镜像通过第一pfet mp1的电流，并经由由晶体管mp3和mp4形成的电流镜将栅极电流供应到公共栅极116。
29.开关电流源i_sc包括：第七nfet mn7，其具有耦合到第一pfet mp1的漏极232的漏极250和耦合到第六nfet mn6的漏极220的源极252。第七nfet mn7具有耦合成接收使能信号enable的栅极256。响应于使能信号enable，nfet mn7将第六nfet mn6耦合到第一pfet mp1。
30.在一些实施方式中，为了通过防止电压vdd-vss被施加到mp2来保护mp2，利用一对pfet mp3和pfet mp4将第二电流镜cm2耦合到公共栅极116。pfet mp4耦合在pfet mp2与公共栅极116之间，并且pfet mp3耦合在pfet mp1与nfet mn7之间。因此，第二电流镜cm2经由pfet mp4电连接到公共栅极116，并且第二电流镜cm2经由pfet mp3和nfet mn7电连接到第一电流镜cm1。
31.因为mn5和mn6的栅极214和224互连，并且mn5和mn6的源极212和222互连，所以通过mn5的电流被mn6镜像。当通过施加使能信号enable导通mn7时，mp1的漏极232耦合到mn6的漏极220，结果，通过mp1的电流流经mn6。因为mp1和mp2的栅极234和244互连，并且mp1和mp2的源极230和240互连，所以通过mp1的电流被mp2镜像。
32.在一个示例性实施例中，mn5和mn6的大小被设置成使得通过mn5的输入电流被mn6镜像10倍。因此，如果通过mn5的输入电流例如为1ua，则通过mn6的电流大约为10ua。由于通过mn6的电流大约等于通过mp1的电流，因此10ua电流也流经mp1。在一个示例性实施例中，mp1和mp2的大小被设置成使得通过mp1的电流被mp2镜像5倍。因此，如果通过mp1的电流为10ua，则通过mp2的电流大约为50ua。其效果是通过mp4向公共栅极116供应50ua栅极电流。
33.在一个示例性实施例中，箝位电路164包括：nfet mn8，其具有耦合到公共栅极116的漏极260和耦合到漏极260的栅极262。nfet mn8具有源极264。箝位电路164包括：源极跟随器pfet mpsf，其具有耦合到fet mn8的源极264的源极270和耦合到公共源极110的栅极272。源极跟随器pfet mpsf具有耦合到低压端子140的漏极274。
34.例如，考虑将50ua栅极电流供应到公共栅极116。因此，mn1和mn2的栅极-源极电压(vgs)开始上升。当vgs上升到阈值vt以上时(例如，mn1和mn2在miller区域中)，mn1和mn2传导，导致输入电压vin出现在公共源极110处和vout 122处。随着mn1和mn2传导并进入rds增强区域，公共栅极116处的电压再次上升，直到pfet mpsf导通。其效果是箝位电路164将公共栅极116与公共源极110之间的电压箝位到vclamp，并防止公共栅极116处的电压进一步上升。箝位电压vclamp被设置在低于次级过压保护极限(例如，6.5v)但高于允许mn1和mn2传导所需的阈值电压vt的水平。通过将公共栅极116与公共源极110之间的电压箝位在vclamp处，箝位电路164防止对fet mn1和fet mn2的损坏，并且还偏置fet mn1和fet mn2，使得它们可以传导。在一个示例性实施例中，vclamp被设置为小于3.0v(例如，大约2.5v)。
35.齐纳二极管d1连接在公共源极110与公共栅极116之间。齐纳二极管d1具有连接到公共源极110的阳极并具有连接到公共栅极116的阴极。当开关100导通时，齐纳二极管z1在正方向上提供次级过压保护，当开关100禁用(即，mn1和mn2截止)mn3和mn4导通时，齐纳二极管z1也在负方向上(源极-栅极)提供次级过压保护。
36.为了将输入信号vin从输入端子106施加到输出端子120，从mn3和mn4的栅极154和156去除禁止信号disable。结果，公共栅极116和公共源极110从低压端子140释放。同时，使能信号enable施加到mn7的栅极256，从而将第一电流镜cm1耦合到第二电流镜cm2。当栅极电流被供应到公共栅极116时，公共栅极116处的电压上升，从而导通nfet mn1和nfet mn2。结果，输入电压vin耦合到公共源极110和vout 122。因为源极跟随器pfet mpsf的栅极272耦合到公共源极110，所以随着公共源极110处的电压上升到导通源极跟随器pfet mpsf所需的阈值电压以上时，源极跟随器mpsf传导。因此，源极跟随器mpsf的源极270处的电压上升到公共源极110以上的vgs(即，mpsf的跨栅极和源极的电压)。因为nfet mn8的栅极262耦合到漏极260，所以nfet mn8传导。其效果是跨公共栅极116和公共源极110的电压大约为nfet mn8两端的电压(即，mn8的短路的漏极/栅极与源极之间的电压，有时称为二极管连接的nfet)和源极跟随器mpsf的vgs之和。通过选择mn8和源极跟随器mpsf，跨公共栅极116和公共栅极110的电压被设置在期望的电平。在一个示例性实施例中，通过设定mn8和mpsf的宽度和长度的大小，跨公共栅极116和公共源极的电压被设置为大约2.5v，这显著低于由齐纳二极管z1提供的次级过压保护(例如，6.5v)，但是足以偏置nfet mn1和nfet mn2以使其传导。因此，箝位电路164将跨公共栅极116和公共源极110的电压箝位在防止损坏nfet mn1和nfet mn2，同时偏置mn1和mn2，使得它们可以传导的电平。
37.在一个示例性实施例中，nfet mn1和nfet mn2被vclamp偏置在大约2.5v，而不是被偏置在例如5v。结果，导通电阻ron(其被定义为输入端子106和输出端子122之间的等效电阻)在较宽的输入电压范围内呈现平坦的响应。图3a-图3b示出表示r-on对vin的模拟波形304和表示vgs对vin的模拟波形308。在图3a中，x轴表示输入电压vin(伏特)，并且y轴表示ron(欧姆)。随着vin从14v上升到大约21v，ron保持平坦，因此在宽的vin范围内呈现平坦性。当vin达到大约vdd-3v时，ron开始上升。
38.在图3b中，x轴表示输入电压vin，并且y轴表示栅极-源极电压vgs。随着vin上升到21v，vgs保持平坦，从而在宽的vin范围内为fet mn1和fet mn2提供稳定的偏置电压。因此，箝位电路164在宽的vin范围内提供跨公共栅极116和公共源极110的稳定箝位电压。
39.图4示出ron对vgs的模拟波形。x轴表示vgs(伏特)，并且y轴表示ron(欧姆)。在一方面，选择较低的vgs(例如，3.0v)来偏置开关100。在图4的示例中，偏置点在3v左右。其效果是，在较宽的输入电压范围内，ron平坦度显著提高，但ron值增加大约10％至20％。在要求跨宽输入信号范围的高精度的模拟应用中，通常更期望跨输入信号范围保持平坦的ron，而不是具有较低的ron。通过提高ron平坦度，由于ron变化而使较少的误差引入到信号链中。可以通过将开关面积增加10％左右来补偿由于低vgs偏置而增加的ron值。通过应用的性能和成本限制来确定在略微降低的ron性能与开关面积之间的选择。
40.在一方面，pmos源极跟随器mpsf跟踪输入电压vin，并且作为响应，产生作为mpsf的栅极-源极电压(vgs)和mn8的漏极-源极电压vds之和的恒定vgs(即，vcamp)。在公共栅极116与公共源极110之间施加电压vclamp。在整个vin范围内使用恒定vclamp，可在整个工作范围内获得精确且线性的ron。
41.在另一方面，选择具有与mn1和mn2相同特性的fet mn8。通过将mn8与mn1和mn2相匹配，由vt(阈值电压)的变化导致的过程相关误差减少。此外，背对背耦合的mn1和mn2在vdd和vss不存在(即，0或浮动)的情况下提供安全操作。当施加vin时，输出端122保持隔离，并且没有到vdd或vss的泄漏路径。考虑不施加vdd和vss并且vin》vdd。在这种情况下，输入端106处的信号不被传递到输出端122或vdd，因为mn1的体二极管充当反向阻断二极管。现在考虑不施加vdd和vss并且vin《vss。在这种情况下，mn1的体二极管被正向偏置，但mn2的体二极管被反向偏置，从而阻挡输入端106处的信号到达输出端122。
42.在本公开的范围内，开关100的变化是可能的。例如，箝位电路164可以利用可变电阻器来代替nfet mn8。如果利用可变电阻器，则跨公共栅极116和公共源极110的箝位电压是可变电阻器两端的电压和源极跟随器mpsf的vgs之和。此外，一个二极管或多个串联耦合的二极管、vbe乘法器(multiplier)或vt倍增器(multipler)可以用于将低压端子140耦合到开关100，并且二极管可以用于耦合mn7的源极252和栅极256。
43.在本说明书中，术语“耦合(couple)”可以涵盖能够实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备a提供信号以控制设备b执行动作，则：(a)在第一示例中，设备a耦合到设备b；或者(b)在第二示例中，如果介入部件c没有实质上改变设备a与设备b之间的功能关系，则设备a通过介入部件c耦合到设备b，使得设备b由设备a经由设备a提供的控制信号来控制。此外，在本说明书中，“被配置成”执行任务或功能的设备可以由制造商在制造时配置成(例如，被编程和/或硬连线成)执行该功能，和/或可以由用户在制造后配置成(或可重新配置成)执行该功能和/或其他附加或替代功能。配置可以通过设备的固件和/或软件编程、通过设备的硬件部件和互连的结构和/或布局、或者它们的组合来进行。此外，在本说明书中，包括某些部件的电路或设备可以替代地适于耦合到那些部件以形成所描述的电路或设备。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(例如晶体管)、一个或多个无源元件(例如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(例如电压和/或电流源)的结构可以替代地仅包括单个物理设备(例如，半导体管芯和/或集成电路(ic)封装)内的半导体元件，并且可以适于耦合到至少一些无源元件和/或源极，以在制造时或制
造后形成所描述的结构，例如通过最终用户和/或第三方。
44.如本文所用，术语“端子(terminal)”、“节点(node)”、“互连(interconnection)”和“引脚(pin)”可互换使用。除非有相反的具体说明，否则这些术语通常用于表示设备元件、电路元件、集成电路、设备或其他电子或半导体部件之间的互连或其末端。
45.虽然某些部件在本文中可能被描述为特定工艺技术的部件，但是这些部件可以被替换为其他工艺技术的部件。本文描述的电路可重新配置，以包括被替换的部件，从而提供与部件替换之前可用的功能至少部分相似的功能。除非另有说明，否则显示为电阻器的部件通常表示串联和/或并联耦合以提供由所示电阻器表示的阻抗量的任何一个或多个元件。例如，本文被示出和描述为单个部件的电阻器或电容器可以替代地是分别串联或并联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间的多个电阻器或电容器。此外，本说明书中短语“接地端子(ground terminal)”的使用包括底盘接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则数值前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述数值的 /-10％。
46.在权利要求的范围内，可以在所描述的实施例中进行修改，并且其他实施例也是可能的。