CN113422595B - 一种处理负压ac信号的电子开关及其控制方法 - Google Patents

一种处理负压ac信号的电子开关及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型处理负压AC信号的电子开关及其控制方法，所述电子开关包括：隔离型NMOS管QT1、隔离型NMOS管QT2、钳位电路一、钳位电路二、控制电路一和控制电路二；节点T1和节点T2会通过体二极管对节点MID进行偏置，当电子开关断开时，如果T1处的AC信号为正压，则电子开关的阻断是靠QT2的关断来完成，如果T1处的AC信号为负压，则电子开关的阻断是靠QT1的关断来完成，同时，由于节点T1的负压被n型埋层隔离在一个独立的P阱里面，负压不会影响电子开关芯片的衬底和其他电位，电子开关芯片的衬底接芯片的地。本发明能够彻底关断处理负压AC信号的电子开关，并通过n型埋层隔离的P阱对负压进行了有效处理。

Description

一种处理负压AC信号的电子开关及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种新型处理负压AC信号的电子开关及其控制方法。
背景技术
目前越来越多的应用需要用到处理负压AC信号（交流信号）的电子开关，这是一类特殊的电源开关，与常规电子开关的不同之处在于关断状态下电子开关的一端电压会到一个负压，在这个负压下对电子开关的彻底关断带来了极大挑战，并且传统CMOS体硅工艺也较难处理芯片的负压。
发明内容
本发明旨在提供一种新型处理负压AC信号的电子开关及其控制方法，以解决关断状态下开关的一端电压会到负压，从而导致在这个负压下电子开关难以彻底关断，以及传统CMOS体硅工艺也较难处理芯片的负压的问题。
本发明提供的一种新型处理负压AC信号的电子开关，包括：
隔离型NMOS管QT1、隔离型NMOS管QT2、钳位电路一、钳位电路二、控制电路一和控制电路二；
隔离型NMOS管QT1的漏极与隔离型NMOS管QT2的漏极连接；隔离型NMOS管QT2的源极连接钳位电路二的输入端；钳位电路二的输出端一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面连接控制电路二的输入端；控制电路二的输出端分别连接至隔离型NMOS管QT2的栅极和源极；钳位电路一的输出端连接隔离型NMOS管QT1的源极；控制电路一的输入端分别连接钳位电路一的两端，控制电路一的输出端连接NMOS管QT1的栅极；
隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2中的n型埋层连接各自的漏极，n型埋层隔离起来的P阱连接各自的源极，并且P阱还通过一个体二极管与各自的漏极连接。
进一步的，所述钳位电路二包括二极管D1、二极管D2、钳位二极管Z2、电容cpump和电容CT2；所述控制电路二包括开关T2_on和开关T2_off；隔离型NMOS管QT2的源极依次连接二极管D1的正极和负极以及二极管D2的正极和负极；二极管D1和二极管D2之间的电性连接点经电容cpump接地；电容CT2以及钳位二极管Z2的两端均并联在二极管D1的正极和二极管D2的负极之间；二极管D2的负极一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面依次经开关T2_on和开关T2_off连接至隔离型NMOS管QT2的源极；开关T2_on和开关T2_off之间的电性连接点连接隔离型NMOS管QT2的栅极。
进一步的，所述钳位电路一包括二极管D3、钳位二极管Z1和电容CT1；所述控制电路一包括开关T1_on和开关T1_off；二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D1的负极经钳位二极管Z1的一端，二极管D3和钳位二极管Z1之间的电性连接点经开关T1_on连接隔离型NMOS管QT1的栅极；二极管Z1的另一端一方面连接隔离型NMOS管QT1的源极，另一方面经开关T1_off连接隔离型NMOS管QT1的栅极；电容CT1并联在钳位二极管Z1两端。
本发明还提供一种如上述的新型处理负压AC信号的电子开关的控制方法，设隔离型NMOS管QT1的源极为节点T1，隔离型NMOS管QT2的源极为节点T2，隔离型NMOS管QT1的漏极和隔离型NMOS管QT2的漏极之间的电性连接点为节点MID；所述控制方法包括如下步骤：
(1)电子开关导通：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极断开；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极连通，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极断开；钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域，并输出至隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极；此时隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2导通，从节点T1、节点MID至节点T2形成低阻抗通路，节点T1与节点T2的电压近似相等；其中，X表示隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的最高安全工作电压数值；
(2)电子开关断开：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极断开，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通；
当节点T1处的电压大于节点T2处的电压时，(T2+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT2的供电电源，由于隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT2关断；
当节点T1处的电压小于节点T2处的电压时，(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域，(T1+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT1的供电电源，由于隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT1的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT1关断。
进一步的，所述钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域的方法为：
当节点T2处的AC信号为高时，T2处的AC信号通过二极管D1对电容cpump充电；当节点T2处的AC信号为低时，电容cpump通过二极管D2对电容CT2充电；二极管D2与电容CT2之间的电性连接点为节点CAP，则通过钳位二极管Z2将节点CAP与节点T2之间的电压钳位到XV，由此钳位节点CAP的电压为(T2+X)V，即形成(T2+X)V电源域。
进一步的，所述(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域的方法为：
当节点T1处的AC信号为负压时，节点T1处的电压低于节点T2处的电压，(T2+X)V电源域通过二极管D3对电容CT1充电，通过钳位二极管Z1将二极管D3的负极与节点T1之间的电压钳位到XV，由此二极管D3的负极的电压为(T1+X)V，即形成(T1+X)V电源域。
一般地，X=5。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明能够彻底关断处理负压AC信号的电子开关，并通过隔离型NMOS管的n型埋层隔离的P阱对负压进行了有效处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的结构图。
图2a为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的仿真图一。图中示意了电子开关在关断状态下(T1+5V)电源域与节点T1处电压的相对压差波形，该相对压差波形是由钳位电路一的仿真模型决定了(T1+5V)电源域与节点T1处的最高相对压差在5.88V。
图2b为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的仿真图二。图中示意了电子开关在关断状态下(T1+5V)电源域的电压和节点T1处的电压，可以看出在电子开关关断状态下节点T1会在负30V～正50V之间震荡，(T1+5V)电源域会参照节点T1处的电压震荡。
图2c为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的仿真图三。图中示意了电子开关在关断状态下(T2+5V)电源域与节点T2处电压的相对压差波形，该相对压差波形是由钳位电路二的仿真模型决定了(T2+5V)电源域与节点T2处电压的最高相对压差在6.09V。
图2d为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的仿真图四。图中示意了电子开关在关断状态下(T2+5V)电源域和节点T2处的电压，可以看出在电子开关关断状态下节点T2的电压是在0V～正15V之间的AC信号，(T2+5V)电源域是会参照节点T2处电压的AC信号。
图2e为本发明实施例的新型处理负压AC信号的电子开关的仿真图五。图中示意了电子开关在关断状态下导通电流。可以看到电子开关在关断状态下没有直流电流通路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种新型处理负压AC信号的电子开关，包括：
隔离型NMOS管QT1、隔离型NMOS管QT2、钳位电路一、钳位电路二、控制电路一和控制电路二；
隔离型NMOS管QT1的漏极与隔离型NMOS管QT2的漏极连接；隔离型NMOS管QT2的源极连接钳位电路二的输入端；钳位电路二的输出端一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面连接控制电路二的输入端；控制电路二的输出端分别连接至隔离型NMOS管QT2的栅极和源极；钳位电路一的输出端连接隔离型NMOS管QT1的源极；控制电路一的输入端分别连接钳位电路一的两端，控制电路一的输出端连接NMOS管QT1的栅极；
隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2中的n型埋层（NBL）连接各自的漏极，n型埋层隔离起来的P阱（PWELL）连接各自的源极，并且P阱还通过一个体二极管与各自的漏极连接。
具体地：
所述钳位电路二包括二极管D1、二极管D2、钳位二极管Z2、电容cpump和电容CT2；所述控制电路二包括开关T2_on和开关T2_off；隔离型NMOS管QT2的源极依次连接二极管D1的正极和负极以及二极管D2的正极和负极；二极管D1和二极管D2之间的电性连接点经电容cpump接地；电容CT2以及钳位二极管Z2的两端均并联在二极管D1的正极和二极管D2的负极之间；二极管D2的负极一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面依次经开关T2_on和开关T2_off连接至隔离型NMOS管QT2的源极；开关T2_on和开关T2_off之间的电性连接点与连接隔离型NMOS管QT2的栅极。
所述钳位电路一包括二极管D3、钳位二极管Z1和电容CT1；所述控制电路一包括开关T1_on和开关T1_off；二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D1的负极经钳位二极管Z1的一端，二极管D3和钳位二极管Z1之间的电性连接点经开关T1_on连接隔离型NMOS管QT1的栅极；二极管Z1的另一端一方面连接隔离型NMOS管QT1的源极，另一方面经开关T1_off连接隔离型NMOS管QT1的栅极；电容CT1并联在钳位二极管Z1两端。
开关T1_on和开关T1_off以及开关T2_on和开关T2_off是***提供的控制信号通过电平移位器分别产生控制开关T1_on和开关T1_off以及开关T2_on和开关T2_off的控制信号进行通断控制。设隔离型NMOS管QT1的源极为节点T1，隔离型NMOS管QT2的源极为节点T2，隔离型NMOS管QT1的漏极和隔离型NMOS管QT2的漏极之间的电性连接点为节点MID；则上述新型处理负压AC信号的电子开关的控制方法，包括如下步骤：
(1)电子开关导通：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极断开；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极连通，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极断开；钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域，并输出至隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极（GATET1和GATET2）；此时隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2导通，从节点T1、节点MID至节点T2形成低阻抗通路，节点T1与节点T2的电压近似相等；其中，X表示隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的最高安全工作电压数值，通过隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的最高安全工作电压为5V，因此一般取X=5；
所述钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域的方法为：当节点T2处的AC信号为高时，T2处的AC信号通过二极管D1对电容cpump充电；当节点T2处的AC信号为低时，电容cpump通过二极管D2对电容CT2充电；二极管D2与电容CT2之间的电性连接点为节点CAP，则通过钳位二极管Z2将节点CAP与节点T2之间的电压钳位到XV，由此钳位节点CAP的电压为(T2+X)V，即形成(T2+X)V电源域。
(2)电子开关断开：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极断开，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通；
当节点T1处的电压大于节点T2处的电压（对应于AC信号为正压时），(T2+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT2的供电电源，由于隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT2关断；
当节点T1处的电压小于节点T2处的电压（可对应于AC信号为正压或负压时），(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域，(T1+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT1的供电电源，由于隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT1的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT1关断。
所述(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域的方法为：当节点T1处的AC信号为负压时，节点T1处的电压低于节点T2处的电压，(T2+X)V电源域通过二极管D3对电容CT1充电，通过钳位二极管Z1将二极管D3的负极与节点T1之间的电压钳位到XV，由此二极管D3的负极的电压为(T1+X)V，即形成(T1+X)V电源域。
也即是说，节点T1和节点T2会通过体二极管对节点MID进行偏置，当电子开关断开时，如果节点T1处的AC信号为正压，则电子开关的阻断是靠QT2的关断来完成（QT1的体二极管是正偏），如果节点T1处的AC信号为负压，则电子开关的阻断是靠QT1的关断来完成（QT2的体二极管是正偏），同时，由于节点T1的负压被n型埋层隔离在一个独立的P阱里面，负压不会影响电子开关芯片的衬底和其他电位，电子开关芯片的衬底substrate接芯片的地（GND）。由此，本发明能够彻底关断处理负压AC信号的电子开关，并通过隔离型NMOS管的n型埋层隔离的P阱对负压进行了有效处理。如图2a、2b、2c、2d、2e所示，对上述的新型处理负压AC信号的电子开关进行仿真，可以看到节点T2为0～5V的方波AC信号，产生了T2+5V电源域，并进一步产生了T1+5V电源域，节点T1的信号是-16V～16V的AC信号，通过流过节点T1的电流Is（Qt1信号）可以看到在两个隔离型NMOS管关断状态下没有从节点T1到节点T2的直流电流通路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种处理负压AC信号的电子开关，其特征在于，包括：
隔离型NMOS管QT1、隔离型NMOS管QT2、钳位电路一、钳位电路二、控制电路一和控制电路二；
隔离型NMOS管QT1的漏极与隔离型NMOS管QT2的漏极连接；隔离型NMOS管QT2的源极连接钳位电路二的输入端；钳位电路二的输出端一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面连接控制电路二的输入端；控制电路二的输出端分别连接至隔离型NMOS管QT2的栅极和源极；钳位电路一的输出端连接隔离型NMOS管QT1的源极；控制电路一的输入端分别连接钳位电路一的两端，控制电路一的输出端连接NMOS管QT1的栅极；
隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2中的n型埋层连接各自的漏极，n型埋层隔离起来的P阱连接各自的源极，并且P阱还通过一个体二极管与各自的漏极连接；
所述钳位电路二包括二极管D1、二极管D2、钳位二极管Z2、电容cpump和电容CT2；所述控制电路二包括开关T2_on和开关T2_off；隔离型NMOS管QT2的源极依次连接二极管D1的正极和负极以及二极管D2的正极和负极；二极管D1和二极管D2之间的电性连接点经电容cpump接地；电容CT2以及钳位二极管Z2的两端均并联在二极管D1的正极和二极管D2的负极之间；二极管D2的负极一方面连接钳位电路一的输入端，另一方面依次经开关T2_on和开关T2_off连接至隔离型NMOS管QT2的源极；开关T2_on和开关T2_off之间的电性连接点连接隔离型NMOS管QT2的栅极；
所述钳位电路一包括二极管D3、钳位二极管Z1和电容CT1；所述控制电路一包括开关T1_on和开关T1_off；二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D1的负极经钳位二极管Z1的一端，二极管D3和钳位二极管Z1之间的电性连接点经开关T1_on连接隔离型NMOS管QT1的栅极；二极管Z1的另一端一方面连接隔离型NMOS管QT1的源极，另一方面经开关T1_off连接隔离型NMOS管QT1的栅极；电容CT1并联在钳位二极管Z1两端。
2.一种如权利要求1所述的处理负压AC信号的电子开关的控制方法，其特征在于，设隔离型NMOS管QT1的源极为节点T1，隔离型NMOS管QT2的源极为节点T2，隔离型NMOS管QT1的漏极和隔离型NMOS管QT2的漏极之间的电性连接点为节点MID；所述控制方法包括如下步骤：
(1)电子开关导通：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极断开；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极连通，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极断开；钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域，并输出至隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极；此时隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2导通，从节点T1、节点MID至节点T2形成低阻抗通路，节点T1与节点T2的电压近似相等；其中，X表示隔离型NMOS管QT1和隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的最高安全工作电压数值；
(2)电子开关断开：使控制电路一控制钳位电路一的输入端与隔离型NMOS管QT1的栅极断开，钳位电路一的输出端与隔离型NMOS管QT1的栅极连通，即隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通；使控制电路二控制钳位电路二输出端与隔离型NMOS管QT2的栅极断开，隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通；
当节点T1处的电压大于节点T2处的电压时，(T2+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT2的供电电源，由于隔离型NMOS管QT2的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT2的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT2关断；
当节点T1处的电压小于节点T2处的电压时，(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域，(T1+X)V电源域作为隔离型NMOS管QT1的供电电源，由于隔离型NMOS管QT1的栅极和源极连通，因此隔离型NMOS管QT1的栅极和源极之间的电压为0V，即隔离型NMOS管QT1关断。
3.根据权利要求2所述的处理负压AC信号的电子开关的控制方法，其特征在于，所述钳位电路二对节点T2的电压进行钳位形成(T2+X)V电源域的方法为：
当节点T2处的AC信号为高时，T2处的AC信号通过二极管D1对电容cpump充电；当节点T2处的AC信号为低时，电容cpump通过二极管D2对电容CT2充电；二极管D2与电容CT2之间的电性连接点为节点CAP，则通过钳位二极管Z2将节点CAP与节点T2之间的电压钳位到XV，由此钳位节点CAP的电压为(T2+X)V，即形成(T2+X)V电源域。
4.根据权利要求2所述的处理负压AC信号的电子开关的控制方法，其特征在于，所述(T2+X)V电源域参照节点T1的浮动产生(T1+X)V电源域的方法为：
当节点T1处的AC信号为负压时，节点T1处的电压低于节点T2处的电压，(T2+X)V电源域通过二极管D3对电容CT1充电，通过钳位二极管Z1将二极管D3的负极与节点T1之间的电压钳位到XV，由此二极管D3的负极的电压为(T1+X)V，即形成(T1+X)V电源域。
5.根据权利要求2所述的处理负压AC信号的电子开关的控制方法，其特征在于，X=5。
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