开关电流电路主要误差的改善

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开关电流技术是一种新的模拟信号采样、保持、处理技术。它具有电流模电路的特有优点，如速度快，适合于低电压工作等。与传统的开关电容技术相比，开关电流技术不需要线性电容和高性能的运算放大器，整个电路由晶体管组成，因此可与标准的数字CMOS工艺兼容。针对开关电流电路中的时钟馈通误差和传输误差进行详细分析，并提出了解决办法。1 时钟馈通误差分析    时钟馈通误差是一个复杂的物理现象，在这里以第二代开关电流存储单元为例进行分析。    图1为存储单元，图2为开关断开时的电荷注入示意图。

    对图1所示的存储单元，Ms的沟道电荷可以近似地描述为：   

其中：Cax是栅氧化层单位面积电容；wseff和Lseff分别是Ms的有效沟道宽度和长度；Vgs是Ms的栅一源电压；VT是Ms的阈值电压，由式(2)给出：   

式中：2 |φF|是强反型层表面势垒；r是体阈值参数；VT0是Vgs=0时的阈值电压。

    一般情况下，1 V<Vgs<3．5 V，因此可以得到以下近似关系：   

将式(3)代入式(1)，得到注入存储电容的沟道电荷为：   

其中：aq表示沟道电荷注入存储电容的分配系数，典型值为：aq=1／2。由栅极扩散覆盖电容Co1，注入存储电容的电荷为：   

    根据式(4)和式(5)司得整个注入电荷的总量为：

式中：mi=ii／j,称为调制指数。将式(9)代入式(8)，得：

2 传输误差分析    开关电流电路属于电流模式电路，其基本结构的等效电路如图3所示。


                          
                       
                          
                                    从图3可以看出，上一级电路的输出电阻与下一级电路的输入电阻并联。设上一级电路的输出电流为Iout，输出电阻为Rout，下一级电路的输入电流为Iin，输入电阻为Rin。，则下一级电路的输入电流为：   

从式(12)可看出，增大输出电阻或减小输入电阻都可以减小传输误差。3 误差的改善方法    (1)时钟馈通误差的改善。改善时钟馈通误差可采用S2I电路。图4给出S2I存储单元的电路和时序。它的工作原理为：在φ1a相，Mf的栅极与基准电压Vref相连，此时Mf为Mc提供偏置电流JoMc中存储的电流为ic=J+ii。当φ1a由高电平跳变为低电平时，由于时钟馈通效应等因素造成Mc单元存储的电流中含有一个电流误差值，假设它为△ii。，则Mc中存储的电流为ic=J+ii+△ii。在φ1b相期间，细存储管Mf对误差电流进行取样，由于输入电流仍然保持着输入状态，所以Mf中存储的电流为If=J+△ii。当φ1b由高电平跳变为低电平时，考虑到△ii。<<J，所以可以认为Mf和Mc的漏极端子为“虚地”端，即此时Mf和Mc的漏极端电压与没有信号输入时的电压非常接近。在φ2相高电平期间，由φ1b的时钟馈通效应在Mf产生的误差电流为δi，则If=J+△ii+δi，由于δi是由△ii产生的，且δi<<△ii，所以输出电流i0=If—Ic=-ii+δi，由于△ii已经被抵消，而δi很小，所以可以认为输出电流与输入电流相等。

    (2)传输误差的改善。从前面的分析知，增大输出电阻或减小输入电阻都可以减小传输误差。下面介绍一种调整型共源共栅结构电路，见图5。

    由图5可计算出输出电阻为：   

    与图1中第二代基本存储单元相比，输出电阻增大

    结合S2I电路与调整型共源共栅结构电路的优点，构造调整型共源共栅结构s2I存储单元，见图6。


                          
                       
                          
                                4 仿真及结果    采用0．5 pm标准数字CMOS工艺对图6电路仿真，仿真参数如表1所示：

    所有NMOS衬底接地，所有PMOS衬底接电源。所有开关管宽长比均为0．5／μm／0．5 μm。输入信号为振幅50μA，频率200 kHz的正弦信号，时钟频率5 MHz，V ref一2．4 V，VDD=5 V。表1中给出了主要晶体管仿真参数。HSpice仿真结果见图7(a)。对图1中第二代基本存储单元仿真结果见图7(b)。    从图7中可以看出，调整型共源共栅结构S2I电路大大提高了精度。图8(a)是图7的放大图，图8(b)是Matlab中的理想波形。从图8(a)可以看出，在A点时，输出开关断开，输入开关闭合，输出电流变为零。在Ab区间内，输入信号对存储管的寄生电容充电。在b点，输出开关闭合，输入开关断开，输出电流为b点的电流值，半个时钟周期后，在C点，输出开关断开，输入开关闭合，继续重复上一周期对输入电流的采样一保持。整个电路全由MOS管构成，依靠晶体管的栅极寄生电容对输入信号采样一保持，所以可以与标准数字CMOS工艺兼容，与数字电路集成在1块芯片上。与Matlab中的理想波形对比后可以看出此电路的性能相当精确。

5 结 语    与开关电容电路相比，开关电流电路不需要线性浮置电容，能够与标准数字CMOS工艺兼容。但是由于误差的存在，至今无法完全取代开关电容电路。这里分析了开关电流电路中的时钟馈通误差与传输误差，并提出了解决办法，从仿真结果可以看出改进后的电路性能大大提高，精确完成了对输人信号的采样一保持。