開關(guān)電流技術(shù)是一種模擬取樣信號(hào)處理新技術(shù)，主要應(yīng)用于開關(guān)電流濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。由于開關(guān)電流電路無(wú)需使用雙層多晶硅電容，因此電路可以采用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 數(shù)字工藝實(shí)現(xiàn)，從而降低了制造成本；采用開關(guān)電流技術(shù)可以縮小芯片尺寸，滿足現(xiàn)代 SoC 系統(tǒng)低電壓、低功耗需求。開關(guān)電流電路的建立時(shí)間由環(huán)路帶寬 f∞決定：

式中的μ為溝道電荷遷移率，Vgs 為 MOS 管的柵一源電壓，VT 為開啟電壓，L 為溝道長(zhǎng)度。根據(jù)式（1）確定的關(guān)系，表明開關(guān)電流電路完全可以在數(shù)百兆赫茲的高頻下正常工作，因此可以用于高速電路的設(shè)計(jì)。

1、甲乙類 SI 存儲(chǔ)單元

在便攜式電子系統(tǒng)中，功耗是一個(gè)關(guān)鍵性問題。甲類存儲(chǔ)單元的輸入信號(hào)擺幅受偏置電流制約，即輸入信號(hào)幅度不能超過偏置電流幅度。如果要增大信號(hào)擺幅，就必須相應(yīng)增大偏置電流，這無(wú)疑會(huì)使電路的靜態(tài)功耗增大，因此甲類電路無(wú)法滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的低電壓、低功耗設(shè)計(jì)需求，而甲乙類結(jié)構(gòu)的電路僅需要極小的偏置電流就能實(shí)現(xiàn)較大的信號(hào)擺幅，即輸入信號(hào)的幅度可以超過偏置電流幅度，所以很適合于低功耗電路應(yīng)用。甲乙類存儲(chǔ)單元由甲乙類電流傳輸器衍變而來(lái)，甲乙類電流傳輸器［3］如圖 1 所示。當(dāng)用存儲(chǔ)管取代甲乙類電流傳輸器中的電流鏡并增加相應(yīng)的控制開關(guān)后，就構(gòu)成如圖 2 所示甲乙類存儲(chǔ)單元。圖 2 中對(duì)應(yīng)于電流傳輸器的 Y 端子接地，以確保 X 端子“虛地”。

基本甲乙類存儲(chǔ)單元的工作過程如下所述：電路采用兩相控制時(shí)鐘，在φ1 相期間，對(duì)輸入電流取樣，此時(shí) M5 和 M6 為二極管接法，柵一源電容 Cgs5，Cgs6 處于充電狀態(tài)。電路中電流關(guān)系如下：

式中的υi 為電流輸入端對(duì)地電壓。需要注意的是，當(dāng)︱iin︱》4Ib 時(shí)，輸入電流只存儲(chǔ)于 M5 或 M6 中。在φ2 相期間，M5 和 M6 為輸出管，其柵極處于斷開狀態(tài)，將仍相期間柵一源電容 Cgs5，Cgs6 所存儲(chǔ)的電流輸出到負(fù)載，輸出電流為：

此時(shí) M2 和 M4 的漏極經(jīng) CMOS 開關(guān)與電源相連，輸入電流繼續(xù)流入晶體管 M2 和 M4，這樣可以縮短采樣相φ1 的恢復(fù)時(shí)間。通過以上分析可知，開關(guān)電流甲乙類存儲(chǔ)單元的輸入電流的幅值不受限于偏置電流 Ib，在相同的偏置條件下輸入動(dòng)態(tài)范圍比甲類存儲(chǔ)單元大得多。由于甲乙類存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)管由互補(bǔ)的 NMOS 和 PMOS 管構(gòu)成，因此可以減小由 MOS 開關(guān)注入電荷引起的存儲(chǔ)電流誤差。甲乙類電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)多個(gè)電路單元級(jí)聯(lián)時(shí)，可以共用同一個(gè)偏置電路，既節(jié)省了硬件開支，也降低了電路的功耗。

2、甲乙類 S2I 存儲(chǔ)單元

甲乙類 S2I 存儲(chǔ)單元的工作原理與簡(jiǎn)單的 S2I 存儲(chǔ)單元的工作原理相似，電路結(jié)構(gòu)和時(shí)序如圖 3 所示。圖 3 中的 M5 和 M6 為粗存儲(chǔ)管，M7 和 M8 為細(xì)存儲(chǔ)管，在φ1a 相期間 M5 和 M6 對(duì)輸入電流采樣、存儲(chǔ)；在φ1b 相期間，存儲(chǔ)管 M7 和 M8 對(duì)存儲(chǔ)管 M5 和 M6 中存儲(chǔ)的誤差電流采樣，然后在φ2 相期間輸出電流，實(shí)現(xiàn)電路如圖 4 所示。其工作過程如下所述：

在φ1a （φ1ad） 相期間開關(guān) S3～S6 導(dǎo)通，其余開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；輸人電流 iin 對(duì) M5 和 M6 的柵一源電容充電，M5 和 M6 所存儲(chǔ)的電流為 i。=-iin+△（iin），其中△iin 是開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的誤差電流；在φ1b（φ 1bd ）相期間，開關(guān) S7，S8 以及 S11～S14 導(dǎo)通，S3～S6 斷開；M5 和 M6 的存儲(chǔ)電流與輸入電流的差值△（iin）由 M2 和 M4 的源極輸入，細(xì)存儲(chǔ)管 M7 和 M8 只對(duì)誤差電流△（iin）采樣，所存儲(chǔ)的電流為 if=-△（iin）+△（△（iin））。在φ2 相期問，S9，S10，S15，S16 接通，粗存儲(chǔ)管 M5 和 M6 的存儲(chǔ)電流與細(xì)存儲(chǔ)管 M7 和 M8 的存儲(chǔ)電流相減輸出：

由于△（△（iin））是由△（iin）產(chǎn)生的，而△（△（iin））《《△（iin），因此可以認(rèn)為輸出電流與輸入電流相等。從理論上講，電流誤差項(xiàng)△可以變成“階誤差；只要將細(xì)存儲(chǔ)單元增加為 n 級(jí)，即 n 步采樣。但是這會(huì)使定時(shí)變得更為復(fù)雜，并且需要占用更多的芯片面積。以上的分析表明：采用 S2I 技術(shù)的 AB 類存儲(chǔ)單元比基本甲乙類存儲(chǔ)單元具有更佳的性能。

實(shí)現(xiàn)電路采用 CMOS 開關(guān)以增大輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，控制時(shí)鐘為互補(bǔ)對(duì)稱時(shí)鐘。時(shí)序的安排說(shuō)明如下：φ1ad 的脈沖寬度略大于φ1a 的寬度，即 M5 的柵極比他的漏極提早切換，避免將開關(guān)切換所引起的誤差電流存儲(chǔ)。φ1b 和φ 1bd 之間的脈沖寬度關(guān)系與前者相同。

3、仿真實(shí)驗(yàn)及其分析

采用 EKV MOST 模型參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行 SPICE 仿真。實(shí)現(xiàn)電路的 MOS 晶體管幾何尺寸如下：M1，M2，M6，M8 的寬長(zhǎng)比 W/L=17μm/5μm；M3，M4，M5，M7 的寬長(zhǎng)比 W/L=64 μm/5μm。開關(guān)管的尺寸：所有的 NMOS 管的寬長(zhǎng)比都為 W/L=1.6/μm/1.6 μm，PMOS 管的寬長(zhǎng)比都為 W/L=4.4 μm/1.6 μm。其他仿真參數(shù)如下：電源電壓±0.5 V，偏置電流 Ib=20 nA，輸入電流 iin=300 nA，信源頻率 fin=20 kHz，采樣時(shí)鐘頻率 fc=200 kHz?；炯滓翌惔鎯?chǔ)單元的仿真結(jié)果如圖 5（a）所示，S2I 存儲(chǔ)單元的仿真結(jié)果如圖 5（b）所示。對(duì)比二者的波形可知，S2I 存儲(chǔ)單元中的輸出電流誤差明顯小于基本甲乙類存儲(chǔ)單元的輸出電流誤差，這與前面理論分析得出的結(jié)論是一致的。

4、 應(yīng)用舉例

積分器是開關(guān)電流電路中常用的構(gòu)建模塊，以積分器為基礎(chǔ)可以構(gòu)成各種濾波器及其他應(yīng)用電路。將提出的 S2I 存儲(chǔ)單元級(jí)聯(lián)并適當(dāng)引入電流反饋，就構(gòu)成一種甲乙類 S2I 通用積分器，如圖 6 所示。其傳遞函數(shù)表達(dá)式與相應(yīng)的甲類積分器相同［5］：

式中：

由于只需將輸入電流進(jìn)行適當(dāng)組合即可得到不同的傳遞函數(shù)，而無(wú)須對(duì)電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，因此使用靈活、方便。

5、結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種工作于甚低電壓的甲乙類 S2I 存儲(chǔ)單元，與基本的甲乙類存儲(chǔ)單元相比他具有更好的系統(tǒng)性能，其低電壓、低功耗的特點(diǎn)使其適合于用作便攜式移動(dòng)設(shè)備的基本單元電路。