charge injection - Dummy Switch

2025.05.01 - [시스템 반도체 설계] - charge injection

charge injection

 

1. Charge Injection

MOS 스위치를 OFF할 때, Gate–Channel 사이에 저장돼 있던 전하가 Source/Drain 쪽으로 분리 주입됨

→ 출력(Capacitor 등)에 불필요한 전하가 들어가며 전압이 튐

 

 

2. 해결방법인  Dummy Switch 소개 

 

Dummy Switch는 실제 스위치(MOSFET)와 동일한 크기/구조를 가진 보조 스위치를 반대 위상으로 동작시켜,

두 스위치에서 발생하는 전하 주입(charge injection)을 서로 상쇄시키는 방식이다. 

 

더미 트랜지스터의 유일한 목적은 게이트 커패시턴스 전하가 신호 경로로 주입되는 것을 방지하기 위해 게이트 커패시턴스 전하를 공급하거나 흡수하는 것이다. 

더미 트랜지스 의 너비 는 스위치 트랜지스터의 절반 이어야 한다.(이상적인 경우) 스위칭 트랜지스터 전하의 절반은 드레인에 주입되고, 나머지 절반이 소스에 주입된다고 가정하기 때문이다. 

또한 더미 트랜지스터는 스위치 트랜지스터와 동일한 유형이어야 한다. 

 

 

 

1. 회로 상황 t1 메인 스위치 (M1): 클럭이 1 → 0 될 때 OFF 이때 Gate-Channel 사이에 있던 전하 Q_ch가 소스와 드레인(=입력과 출력)으로 분리되어 주입됨 → 그 중 출력 쪽으로 들어가는 전하를 보상하고 싶음 더미 스위치 (M2): 클럭이 반대 위상 (0 → 1) → 이 시점에 ON 이 순간에는 전하 주입이 없음. 오히려 이때는 채널에 전하가 들어가 저장됨. t2 메인 스위치 (M1): OFF 유지 VOUT에는 이미 Charge Injection 발생함 더미 스위치 (M2) : 채널 유지 M2는 열려 있으나 아직 전하를 뿌리진 않음 (아직 OFF되지 않음) t3 메인 스위치 (M1): OFF 유지 더미 스위치 (M2) : Gate: 1 → 0 → OFF됨 M2가 OFF되며, Gate-Channel에 저장돼 있던 전하가 채널 양쪽(S/D)으로 분리됨 그리고 설계상 M2의 드레인은 VOUT 쪽이기 때문에, 전하가 VOUT으로 주입됨 이때 M2의 Gate-Channel 전하가 출력 노드로 주입됨 t4 메인 스위치 (M1): OFF 유지 더미 스위치 (M2) : OFF 유지 주입 전하가 M1에서 발생한 전하와 방향/크기 맞춰 상쇄

2. 전하 흐름 M1이 OFF되며 Gate-Channel에 저장된 전하(Qch)가 출력(C_hold)으로 튐 이와 동시에 M2가 ON되며, M2의 Gate-Channel 전하가 반대 극성으로 Chold에 주입 -> 방향이 반대인 전하가 더해져서 상쇄

 

 

3. 둘다 전하가 들어가는데 왜 상쇄가 될까?

 

중요한 건 “그 전자가 들어가는 노드 기준으로 전압이 증가하는가/감소하는가”

 

상황	전자 주입 위치	전압 변화
기준점이 GND	전자(-)가 들어감	전압 낮아짐 (ΔV < 0)
기준점이 상대적 high node	전자(-)가 들어감	전압 올라감 (ΔV > 0)

 

 

 

지피티가 뭔소리 하나 했는데 아래 그림 같이 된다는 뜻이었음

 

 

 

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참고 

https://miscircuitos.com/charge-injection-cancellation/

 

https://www.researchgate.net/figure/Addition-of-dummy-device-to-reduce-charge-injection_fig4_343473571

 

https://blog.naver.com/narabaljeon/221539337916