改善开关电流电路主要误差的方案

　　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

　　

　　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。<

　　

　　(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。