開關(guān)電流技術(shù)是一種新的模擬信號(hào)采樣、保持、處理技術(shù)。它具有電流模電路的特有優(yōu)點(diǎn)，如速度快，適合于低電壓工作等。與傳統(tǒng)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的運(yùn)算放大器，整個(gè)電路由晶體管組成，因此可與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝兼容。針對(duì)開關(guān)電流電路中的時(shí)鐘饋通誤差和傳輸誤差進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出了解決辦法。
1 時(shí)鐘饋通誤差分析
時(shí)鐘饋通誤差是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在這里以第二代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元為例進(jìn)行分析。
圖1為存儲(chǔ)單元，圖2為開關(guān)斷開時(shí)的電荷注入示意圖。
對(duì)圖1所示的存儲(chǔ)單元，Ms的溝道電荷可以近似地描述為：
其中：Cax是柵氧化層單位面積電容;wseff和Lseff分別是Ms的有效溝道寬度和長度;Vgs是Ms的柵一源電壓;VT是Ms的閾值電壓，由式(2)給出：
式中：2 |φF|是強(qiáng)反型層表面勢(shì)壘;r是體閾值參數(shù);VT0是Vgs=0時(shí)的閾值電壓。
一般情況下，1 V
將式(3)代入式(1)，得到注入存儲(chǔ)電容的溝道電荷為：
其中：aq表示溝道電荷注入存儲(chǔ)電容的分配系數(shù)，典型值為：aq=1/2。由柵極擴(kuò)散覆蓋電容Co1，注入存儲(chǔ)電容的電荷為：
根據(jù)式(4)和式(5)司得整個(gè)注入電荷的總量為：
存儲(chǔ)管柵—源電壓的誤差為：
假設(shè)晶體管工作飽和區(qū)，則：
由于：
式中：mi=ii/j,稱為調(diào)制指數(shù)。將式(9)代入式(8)，得：
2 傳輸誤差分析
開關(guān)電流電路屬于電流模式電路，其基本結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3所示。
從圖3可以看出，上一級(jí)電路的輸出電阻與下一級(jí)電路的輸入電阻并聯(lián)。設(shè)上一級(jí)電路的輸出電流為Iout，輸出電阻為Rout，下一級(jí)電路的輸入電流為Iin，輸入電阻為Rin。，則下一級(jí)電路的輸入電流為：
從式(12)可看出，增大輸出電阻或減小輸入電阻都可以減小傳輸誤差。
3 誤差的改善方法
(1)時(shí)鐘饋通誤差的改善。改善時(shí)鐘饋通誤差可采用S2I電路。圖4給出S2I存儲(chǔ)單元的電路和時(shí)序。它的工作原理為：在φ1a相，Mf的柵極與基準(zhǔn)電壓Vref相連，此時(shí)Mf為Mc提供偏置電流JoMc中存儲(chǔ)的電流為ic=J+ii。當(dāng)φ1a由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由于時(shí)鐘饋通效應(yīng)等因素造成Mc單元存儲(chǔ)的電流中含有一個(gè)電流誤差值，假設(shè)它為△ii。，則Mc中存儲(chǔ)的電流為ic=J+ii+△ii。在φ1b相期間，細(xì)存儲(chǔ)管Mf對(duì)誤差電流進(jìn)行取樣，由于輸入電流仍然保持著輸入狀態(tài)，所以Mf中存儲(chǔ)的電流為If=J+△ii。當(dāng)φ1b由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，考慮到△ii。
(2)傳輸誤差的改善。從前面的分析知，增大輸出電阻或減小輸入電阻都可以減小傳輸誤差。下面介紹一種調(diào)整型共源共柵結(jié)構(gòu)電路，見圖5。
由圖5可計(jì)算出輸出電阻為：
與圖1中第二代基本存儲(chǔ)單元相比，輸出電阻增大
結(jié)合S2I電路與調(diào)整型共源共柵結(jié)構(gòu)電路的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造調(diào)整型共源共柵結(jié)構(gòu)s2I存儲(chǔ)單元，見圖6。
4 仿真及結(jié)果
采用0.5 pm標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝對(duì)圖6電路仿真，仿真參數(shù)如表1所示：
所有NMOS襯底接地，所有PMOS襯底接電源。所有開關(guān)管寬長比均為0.5/μm/0.5 μm。輸入信號(hào)為振幅50μA，頻率200 kHz的正弦信號(hào)，時(shí)鐘頻率5 MHz，V ref一2.4 V，VDD=5 V。表1中給出了主要晶體管仿真參數(shù)。HSpice仿真結(jié)果見圖7(a)。對(duì)圖1中第二代基本存儲(chǔ)單元仿真結(jié)果見圖7(b)。
從圖7中可以看出，調(diào)整型共源共柵結(jié)構(gòu)S2I電路大大提高了精度。圖8(a)是圖7的放大圖，圖8(b)是Matlab中的理想波形。從圖8(a)可以看出，在A點(diǎn)時(shí)，輸出開關(guān)斷開，輸入開關(guān)閉合，輸出電流變?yōu)榱恪Ｔ贏B區(qū)間內(nèi)，輸入信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)管的寄生電容充電。在B點(diǎn)，輸出開關(guān)閉合，輸入開關(guān)斷開，輸出電流為B點(diǎn)的電流值，半個(gè)時(shí)鐘周期后，在C點(diǎn)，輸出開關(guān)斷開，輸入開關(guān)閉合，繼續(xù)重復(fù)上一周期對(duì)輸入電流的采樣一保持。整個(gè)電路全由MOS管構(gòu)成，依靠晶體管的柵極寄生電容對(duì)輸入信號(hào)采樣一保持，所以可以與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝兼容，與數(shù)字電路集成在1塊芯片上。與Matlab中的理想波形對(duì)比后可以看出此電路的性能相當(dāng)精確。
5 結(jié) 語
與開關(guān)電容電路相比，開關(guān)電流電路不需要線性浮置電容，能夠與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝兼容。但是由于誤差的存在，至今無法完全取代開關(guān)電容電路。這里分析了開關(guān)電流電路中的時(shí)鐘饋通誤差與傳輸誤差，并提出了解決辦法，從仿真結(jié)果可以看出改進(jìn)后的電路性能大大提高，精確完成了對(duì)輸人信號(hào)的采樣一保持。