高性能开关电流存储单元的设计及应用
2009-06-25
作者：李 帆，王卫东
摘 要： 对第一代开关电流存储单元产生的时钟馈通误差做了合理的近似分析，设计了一种高性能开关电流存储单元。该电路仅在原存储单元的基础上增加了一个MOS管，使误差降为原来的4%，是同类研究中最简单的结构。用它构造的双线性积分器性能良好，可作为滤波器Σ-Δ调制器等系统的基本模块。
关键词： 开关电流存储单元；时钟馈通误差；双线性积分器
开关电流技术是近年来出现的一种新的模拟信号采样、保持、处理技术。与已成熟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运算放大器，整个电路均由MOS管构成，因此可与标准数字CMOS工艺兼容，与数字电路使用相同工艺并集成在同一块芯片上，这预示着它将在数模混合集成电路的发展中扮演重要角色。但是开关电流电路中存在一些非理想因素，其中时钟馈通误差尤为突出，它直接影响到电路的性能。近年来，国际上已提出了一些减少时钟馈通误差的技术方案，它们有的是利用复杂的时钟电路算法存储单元技术[1，2]，有的是利用复杂电路结构的差分时钟馈通衰减技术(DCFA)[3]和零电压开关技术[6]，还有的是只取消部分误差的补偿方案[7，8]等。最近，有人提出了时钟馈通误差完全补偿方案[8]，但是结构较为复杂。
本文在第一代开关电流存储单元的基础上，对时钟馈通误差的产生机理做了一些近似处理，分析了时钟馈通误差的主要因素，提出了一种新的时钟馈通误差补偿方案。该方案仅在第一代开关电流存储单元的基础上增加了一个可吸收钟馈电流的MOS管，使误差降为原来的4%，是同类研究中最简单的结构。同时用它构造了双线性积分器，可作为滤波器、?撞-?驻调制器等系统的基本模块。
1 时钟馈通误差分析
图1为第一代开关电流存储单元，MOS管的主要寄生电容已在图中标出。
为时钟信号，时钟高电平期间=VH，低电平期间V=VL。M2的栅电压为Vgs2。
时钟高电平期间，C1上的电荷为：
QH=C1(VH-Vgs2)
时钟低电平期间，C1上的电荷为：
QL=C1(VL-Vgs2)
这里做了近似，事实上，当时钟跳变时，Vgs2会发生变化。
时钟高低电平跳变时，C1的电荷变化Q1将注入到M2的栅极，引起栅电压的变化。
由于电荷注入而引起的M2栅电压变化为：
2 高性能开关电流存储单元
高性能开关电流存储单元如图2。与第一代存储单元相比，增加了MOS管M0，M0的栅源、栅漏电容Cgs0、Cgd0与Cgs2并联，一般可认为Cgs0=Cgd0，设Ags0为Cgs0的面积，则式(4)可变为：
比较(4)、(5)两式可知，只要M0的尺寸大且M2的尺寸小，ΔVgs2将会大大减小，从而减小时钟馈通误差。
虽然以上分析做了一些近似和假设，但是足以说明增加MOS管M0有助于显著减小时钟馈通误差。图3给出了高性能开关电流存储单元的具体实现电路。图中VR、VP、VN由MOS管M11～M16组成的电路提供。
是两相不重叠的时钟信号。
3 性能对比
分别对第一代开关电流存储单元和高性能开关电流存储单元仿真，输入电流为50 μA，200 kHz的正弦信号，采样频率5 MHz，结果见图4。表1中测量了两者的误差，其中ii表示t时刻的输入电流，io1为第一代开关电流存储单元产生的误差电流(即相同时刻输出电流减去输入电流的差值)，io2为高性能开关电流存储单元产生的误差电流。由表中数据可以计算出高性能开关电流存储单元产生的平均误差仅为第一代开关电流存储单元产生的平均误差的4%。
4 应用
开关电流存储单元的传输函数为H(z)=-z-1/2，所以两个存储单元级联就可构成z-1。双线性积分器的传输函数为
。按照图5的接法构造双线性积分器。因为处理的是电流信号，为保证各支路电流不会互相干扰，需用分流器将各支路电流分开。分流器主要由电流镜构成，作用是将上一级的输入电流通过电流镜的镜像作用复制出两个与上一级输入电流大小、方向均相同的电流。其中，分流器1由普通电流镜构成，分流器2产生反馈电流的部分由高输出阻抗电流镜构成，保证反馈电流不衰减。仿真结果见图6。图中ii为振幅10μA、200kHz的输入信号；io为输出信号；iR为参考电流信号，用来检验输出波形是否失真。仿真结果表明，输入电流经过双线性积分器后移相90°，正弦波变为余弦波，并且输出波形无失真，表明积分器的性能很好。这种双线性积分器可作为滤波器、Σ-Δ调制器等系统的基本模块。
严格地说，用开关电流技术无法构成完美的双线性积分器，这是因为无法做到各级输出阻抗无穷大而会使信号在传输过程中衰减。尽管如此，本文的双线性积分器已能满足绝大多数场合的应用。限于篇幅，关于积分器的误差问题在这里不做讨论。
开关电流电路的最大优点是整个电路由MOS管构成，无电阻、电容、电感，易于集成，可与标准数字CMOS工艺兼容。这一优势预示着开关电流技术将在以后的数模混合集成电路中有广阔的发展前景。
参考文献
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