双通道单刀双掷模拟开关的设计.pdf

1、西安电子科技大学硕士学位论文双通道单刀双掷模拟开关的设计姓名：黄丽芳申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：贾护军20090101摘要本论文选题来源于公司的一个研发项目，设计的是一款低压、单电源供电的双通道单刀双掷模拟开关。主要应用于通信系统和便携式电池供电设备中，如音频视频信号切换、电池供电应用等。单刀双掷模拟开关电路的设计包括四个模块：M O S 开关电路、驱动电路、缓冲电路和E S D 保护电路。在M O S 开关的设计上，设计了一款开关时间不同的双通道M O S 开关，并对传统的衬底偏置进行了改进，更好的满足了设计的要求；设计了一款高效的开关驱动，该驱动电路能产生两路互补

2、信号控制开关电路的通断，且实现了先断后通的切换方式；提出了几种缓冲电路的设计方案，有效地消除了噪声；提出了几种静电保护方案，能有效的防止静电放电对工作电路造成的损害。仿真结果表明，本设计实现的芯片开关速度快(t o N：4 3 n s；t o w：3 n s)，切换时间短(5 n s)，电荷注入低(Q N o：3 1 0 C；Q N c：1 1 0 C)，导通电阻低(R N o：0 9 1 f l；R N C：O 6 5 Q)，都达到了相应的设计要求。关键词：模拟开关单刀双掷双通道E S D 保护A b s t r a c tT h ed e s i g no fl o w-v o l t a

3、 g es i n g l e-s u p p l yd u a lS P D Ta n a l o gs w i t c hi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sw h i c hc o m e sf r o ma ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r o j e c t T h ec h i pi sm a i n l ya p p l i e di nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dp o r t a b l ep r o d u c t s F

4、o re x a m p l e，a u d i oa n dv i d e os i g n a lr o u t i n g，b a t t e r y-p o w e r e ds y s t e m sa n dS Oo n F o u rm o d u l e sa l ei n c l u d e di nt h eS P D Ta n a l o gs w i t c h，f o re x a m p l e，M O Ss w i t c hc i r c u i t，d r i v e rc i r c u i t，b u f f e rc i r c u i t，a n dE

5、 S Dp r o t e c t i o nc i r c u i t T h ed e s i g no fad u a lc h a n n e lM O Ss w i t c h，o n eN Os w i t c ha n do n eN Cs w i t c hw i t hd i f f e r e n ts w i t c h i n gt i m e，i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s A n dt h es u b s t r a t eb i a si sd e v e l o p e db a s e do nt h et r

6、 a d i t i o n a lm e a n si no r d e rt oa c h i e v et h er e l e v a n td e s i g ni n d e x e s T h e nt h ed e s i g no fah i g he f f i c i e n c ys w i t c hd r i v e ri sf i n i s h e d T h i sd r i v e rg e n e r a t e sap a i ro fc o m p l e m e n t a r ys i g n a l st od r i v et h eM O S

7、s w i t c ha n dm a k e st h eb r e a k-b e f o r e m a k es w i t c h i n gi sa v a i l a b l e S e v e r a ls c h e m e so fi n p u t o u t p u tb u f f e rd e s i g na l ep u tf o r w a r d，a n dt h e yc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t ei n p u tn o i s e T h e ns e v e r a ls o l u t i

8、 o n so ft h eE S Dp r o t e c t i o na r ea d v a n c e d,a n dt h ec i r c u i ti sw e l lp r o t e c t e df r o mt h ed a m a g ec a u s e db yE S Db yi n s e r t i n gE S Dp r o t e c t i o nm o d u l e s b e t w e e np a d s T h es i m u l a t i o nr e s u l t Ss h o wt h a tt h er e l e v a n

9、td e s i g ni n d e x e so ft h i sd e v i c eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya c h i e v e d，s u c ha sf a s ts w i t c h i n gs p e e d(t O N：4 3 n s、t o F F：3 n s)，s h o r tb r e a k-b e f o r e-m a k ei n t e r v a l(t D：5 n s)，l o wc h a r g ei n j e c t i o n(Q s o：310 C，Q N C：llO C)，a n

10、d l o wo n r e s i s t a n c e(R s o：0 9 l Q，R N c：O 6 5 n)K e y w o r d s：A n a l o gS w i t c hS P D TD u a lC h a n n e lE S D西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究

11、所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：亟殛豸日期趁出!舅西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：垒孟蓥日期：望丝2。主，罗导师签名：日期：第一章绪论第一章绪论本选题来源

12、于公司的一个研发项目，具有明确的应用需求背景和工程实用价值，设计了一款低导通电阻、低压、单电源供电的双通道单刀双掷模拟开关。它采用T S M C0 3 5 9 mC M O S 工艺进行设计，利用C a d e n c e E D A 的H S P I C E 对电路进行模拟仿真。在分析M O S 管电学特性和M O S 开关原理的基础上，分析并设计了M O S 开关电路、驱动电路、静电保护电路和缓冲电路。H S P I C E 仿真结果表明，该器件具有良好的开关特性：开关速度快(t o N=4 3 n s、t o F F=3 n s)、电荷注入I 氐(Q N o=3 1 0 C，Q N c=

13、11 0 c)、切换时间短(t D=5 n s)、导通电阻低(R N o=0 9 l Q，R N c=0 6 5 f 2)。它与国产的同类型模拟开关相比，速度更快、导通电阻更低。1 1 微电子技术发展现状及趋势自从1 9 4 7 年发明半导体晶体管，1 9 5 8 年第一块半导体集成电路诞生，微电子技术经过半个世纪的高速发展，向人们显示出微电子无所不在，无所不能。微电子已成为国民经济和人类不可短缺的“粮食”。美国半导体协会把半导体技术(主要是集成电路I C)称为美国经济发展的驱动器。过去3 0 年世界上有多少产品销售价格每年降低3 0?只有一种半导体。微电子技术既是基础，又是高科技。进入2 1

14、 世纪，微电子技术仍将飞快地向前发展。1 1 1 微电子技术发展水平自从I C 诞生以来，I C 芯片的发展基本上遵循了I n t e l 公司创始人之一的G o r d o nE M o o r e1 9 6 5 年预言的摩尔定律。该定律说：芯片上可以容纳的晶体管数目每1 8 个月便可以增加一倍，芯片集成度1 8 月翻一番。这被视为半导体技术前进的经验法则。换句话说，工艺技术的进展对I C 集成度的提高起到乘积的效果，使得每个芯片可以集成的晶体管数目急剧增加，其C A G R(累计平均增长率)达到了每年5 8，即三年四番(1 5 8 3=4)。1 9 7 8 年时，人们认为光学光刻的极限是1

15、 微米。而发展到2 0 世纪末，人们认为光刻的极限推进到O 0 5 微米，即5 0 纳米。可以这样说，摩尔定律的尽头就是光学光刻的尽头。2 0 0 0 年，摩尔博士在回答提问时说，摩尔定律1 0 年不会变，最高可以突破O 0 3 5 9 m，即3 5 r i m，预计到2 0 1 0 年到2 0 1 2 年之间技术会达到成熟。表1 1 是从1 9 9 5 年到2 0 1 0 年世界超大规模集成电路技术发展趋势。2双通道单刀双掷模拟开关的设计表1 1 超大规模集成电路技术发展趋势(1 9 9 5 年一2 0 1 0 年)年份1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 72

16、 0 1 0最小线宽L L mO 3 5O 2 5O 1 8O 1 30 10 0 7逻辑晶体管数c m 24 1 0 67 1 0 61 3 1 0 62 5 1 0 65 0 1 0 69 0 1 0 6(成本晶体管)毫美分1O 50 2O 1O 0 50 0 2最多互联线层数4 555 666 77 8点穴缺陷数m 22 4 01 6 01 4 01 2 01 0 02 5最少掩膜数1 82 02 02 22 22 4A S I C 芯片尺寸删n 24 5 06 6 07 5 09 0 01 1 0 01 4 0 0年份1 9 9 51 9 9 82 0 0 l2 0 0 42 0 0 72 0 1 0电源电压(台式机)3 32 51 81 51 2O 9芯片I O 数9 0 01 3 5 02 0 0 02 6 0 03 6 0 04 8 0 0从表1 1 看出，预计到2 0 1 0 年最小线宽将达到O 0 7 p,m。技术代发展为：O 3 5 岬一0 1 8 岬叶O 1 3 I J m -*0 1 0 岬一0 0 7 9 i n。经过几年的实际进展，美国半导体协会(S I A