지금까지 개발된 설계기법 중 효과적으로 switch on/off 저항값의 변화를 최소화 할 수 있는 방법이 bootstrap switch 입니다. Bootstrap의 사전적 의미는 ‘남의 도움을 빌리지 않고 스스로 해결하다’라는 뜻을 가지고 있습니다. 이름에서 짐작할 수 있듯이 다른 추가적인 신호를 사용하지 않고 기존의 신호만을 가지고 문제를 해결한다는 의미 입니다. 기본적인 아이디어는 다음과 같습니다. CMOS switch를 사용하지 않고 NMOS 스위치만을 사용하면서, 입력 아날로그신호 값에 상관없이 NMOS스위치의 Vgs 를 일정하게 유지하는 것입니다. 즉, 입력 아날로그 신호 값이 올라가면 올라간 만큼 NMOS 스위치 gate 전압을 올리고, 입력 아날로그 신호 값이 내려가면 내려간 만큼 NMOS 스위치 gate 전압을 내리는 겁니다. 그게 어떻게 가능할 까요? 비밀은 NMOS switch의 입력단과 gate 사이에 추가적으로 만들어 준 capacitor와 그 capacitor를 제어하는 switch들에 있습니다.
자, 아래 그림을 보세요. 첫번째 그림은 bootstrap switch의 hold (혹은 track) 모드를 나타냅니다. Hold 모드에서는 NMOS의 gate가 GND에 연결되면서 NMOS 가 turn off되고 동시에 capacitor에 VDD의 전압이 충전됩니다. 이번에는 sample 모드를 보겠습니다. 두번째 그림 입니다. Capacitor에 연결된 VDD 와 GND가 끊어지면서 동시에 NMOS 에 연결되었던 GND도 끊어집니다. 그러면서 capacitor가 동시에 NMOS의 gate와 source 단에 연결됩니다. 이때, NMOS 의 source는 Vin에 계속 연결되어 있는 것에 주목하세요. 이렇게 되면 무슨일이 일어날까요? Capacitor의 아래단 전압이 Vin으로 바뀌었기 때문에 capacitor의 위단 전압은 VDD+Vin 이 되어야 합니다. 왜냐구요? 전하량 보존의 법칙에 의하여 capacitor 양단의 전압차이는 변화가 없어야 하기 (회로망에서 배웠습니다.) 때문입니다. 즉, NMOS의 Vgs 가 Vin의 크기에 상관없이 VDD로 유지가 되는 거죠.
이렇듯 기본적인 동작원리는 hold 모드에서 capacitor에 VDD를 충전하고 그 전압을 sample 모드에서 NMOS의 Vgs로 사용하는 겁니다. 물론, 세밀한 동작원리는 더 복잡합니다. 그리고 여러가지 설계 이슈 (reliability, multiple clock, clock noise 등등)가 있어서 실제 회로는 이것보다 더 어렵습니다. 하지만, 기본적인 동작원리는 이것으로부터 시작을 하죠. 요즘 설계되는 대부분의 SAR ADC의 TAH switch는 저전압 동작때문에 대부분 bootstrap switch를 사용합니다.
좀더 구체적으로 공부하시기 위한 분들을 위해 참고 문헌을 하나 소개해 드리겠습니다. Razavi 교수께서 아주 잘 설명을 잘 해 놓았습니다. 한번 읽어보세요.
http://ieeexplore.ieee.org/document/7258484/
The Bootstrapped Switch [A Circuit for All Seasons], Behzad Razavi, 2015, Page(s):12 – 15