摘 要： 對第一代開關(guān)電流存儲單元產(chǎn)生的時(shí)鐘饋通誤差做了合理的近似分析，設(shè)計(jì)了一種高性能開關(guān)電流存儲單元。該電路僅在原存儲單元的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)MOS管，使誤差降為原來的4%，是同類研究中最簡單的結(jié)構(gòu)。用它構(gòu)造的雙線性積分器性能良好，可作為濾波器Σ-Δ調(diào)制器等系統(tǒng)的基本模塊。
關(guān)鍵詞： 開關(guān)電流存儲單元；時(shí)鐘饋通誤差；雙線性積分器
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開關(guān)電流技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新的模擬信號采樣、保持、處理技術(shù)。與已成熟的開關(guān)電容技術(shù)相比，開關(guān)電流技術(shù)不需要線性電容和高性能運(yùn)算放大器，整個(gè)電路均由MOS管構(gòu)成，因此可與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝兼容，與數(shù)字電路使用相同工藝并集成在同一塊芯片上，這預(yù)示著它將在數(shù)模混合集成電路的發(fā)展中扮演重要角色。但是開關(guān)電流電路中存在一些非理想因素，其中時(shí)鐘饋通誤差尤為突出，它直接影響到電路的性能。近年來，國際上已提出了一些減少時(shí)鐘饋通誤差的技術(shù)方案，它們有的是利用復(fù)雜的時(shí)鐘電路算法存儲單元技術(shù)[1，2]，有的是利用復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)的差分時(shí)鐘饋通衰減技術(shù)(DCFA)[3]和零電壓開關(guān)技術(shù)[6]，還有的是只取消部分誤差的補(bǔ)償方案[7，8]等。最近，有人提出了時(shí)鐘饋通誤差完全補(bǔ)償方案[8]，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
本文在第一代開關(guān)電流存儲單元的基礎(chǔ)上，對時(shí)鐘饋通誤差的產(chǎn)生機(jī)理做了一些近似處理，分析了時(shí)鐘饋通誤差的主要因素，提出了一種新的時(shí)鐘饋通誤差補(bǔ)償方案。該方案僅在第一代開關(guān)電流存儲單元的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)可吸收鐘饋電流的MOS管，使誤差降為原來的4%，是同類研究中最簡單的結(jié)構(gòu)。同時(shí)用它構(gòu)造了雙線性積分器，可作為濾波器、?撞-?駐調(diào)制器等系統(tǒng)的基本模塊。
1 時(shí)鐘饋通誤差分析
圖1為第一代開關(guān)電流存儲單元，MOS管的主要寄生電容已在圖中標(biāo)出。
為時(shí)鐘信號，時(shí)鐘高電平期間=VH，低電平期間V=VL。M2的柵電壓為Vgs2。
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時(shí)鐘高電平期間，C1上的電荷為：
QH=C1(VH-Vgs2)
時(shí)鐘低電平期間，C1上的電荷為：
QL=C1(VL-Vgs2)
這里做了近似，事實(shí)上，當(dāng)時(shí)鐘跳變時(shí)，Vgs2會發(fā)生變化。
時(shí)鐘高低電平跳變時(shí)，C1的電荷變化Q1將注入到M2的柵極，引起柵電壓的變化。
由于電荷注入而引起的M2柵電壓變化為：
2 高性能開關(guān)電流存儲單元
高性能開關(guān)電流存儲單元如圖2。與第一代存儲單元相比，增加了MOS管M0，M0的柵源、柵漏電容Cgs0、Cgd0與Cgs2并聯(lián)，一般可認(rèn)為Cgs0=Cgd0，設(shè)Ags0為Cgs0的面積，則式(4)可變?yōu)椋?BR> 
比較(4)、(5)兩式可知，只要M0的尺寸大且M2的尺寸小，ΔVgs2將會大大減小，從而減小時(shí)鐘饋通誤差。
??? 雖然以上分析做了一些近似和假設(shè)，但是足以說明增加MOS管M0有助于顯著減小時(shí)鐘饋通誤差。圖3給出了高性能開關(guān)電流存儲單元的具體實(shí)現(xiàn)電路。圖中VR、VP、VN由MOS管M11～M16組成的電路提供。
是兩相不重疊的時(shí)鐘信號。
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3 性能對比
分別對第一代開關(guān)電流存儲單元和高性能開關(guān)電流存儲單元仿真，輸入電流為50 μA，200 kHz的正弦信號，采樣頻率5 MHz，結(jié)果見圖4。表1中測量了兩者的誤差，其中ii表示t時(shí)刻的輸入電流，io1為第一代開關(guān)電流存儲單元產(chǎn)生的誤差電流(即相同時(shí)刻輸出電流減去輸入電流的差值)，io2為高性能開關(guān)電流存儲單元產(chǎn)生的誤差電流。由表中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出高性能開關(guān)電流存儲單元產(chǎn)生的平均誤差僅為第一代開關(guān)電流存儲單元產(chǎn)生的平均誤差的4%。
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4 應(yīng)用
開關(guān)電流存儲單元的傳輸函數(shù)為H(z)=-z-1/2，所以兩個(gè)存儲單元級聯(lián)就可構(gòu)成z-1。雙線性積分器的傳輸函數(shù)為
。按照圖5的接法構(gòu)造雙線性積分器。因?yàn)樘幚淼氖请娏餍盘?，為保證各支路電流不會互相干擾，需用分流器將各支路電流分開。分流器主要由電流鏡構(gòu)成，作用是將上一級的輸入電流通過電流鏡的鏡像作用復(fù)制出兩個(gè)與上一級輸入電流大小、方向均相同的電流。其中，分流器1由普通電流鏡構(gòu)成，分流器2產(chǎn)生反饋電流的部分由高輸出阻抗電流鏡構(gòu)成，保證反饋電流不衰減。仿真結(jié)果見圖6。圖中ii為振幅10μA、200kHz的輸入信號；io為輸出信號；iR為參考電流信號，用來檢驗(yàn)輸出波形是否失真。仿真結(jié)果表明，輸入電流經(jīng)過雙線性積分器后移相90°，正弦波變?yōu)橛嘞也?，并且輸出波形無失真，表明積分器的性能很好。這種雙線性積分器可作為濾波器、Σ-Δ調(diào)制器等系統(tǒng)的基本模塊。
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嚴(yán)格地說，用開關(guān)電流技術(shù)無法構(gòu)成完美的雙線性積分器，這是因?yàn)闊o法做到各級輸出阻抗無窮大而會使信號在傳輸過程中衰減。盡管如此，本文的雙線性積分器已能滿足絕大多數(shù)場合的應(yīng)用。限于篇幅，關(guān)于積分器的誤差問題在這里不做討論。
開關(guān)電流電路的最大優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)電路由MOS管構(gòu)成，無電阻、電容、電感，易于集成，可與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝兼容。這一優(yōu)勢預(yù)示著開關(guān)電流技術(shù)將在以后的數(shù)?；旌霞呻娐分杏袕V闊的發(fā)展前景。
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