開關(guān)電流技術(shù)是一種新的模擬信號采樣、保持,、處理技術(shù),。它具有電流模電路的特有優(yōu)點，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。針對開關(guān)電流電路中的時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 時鐘饋通誤差分析
時鐘饋通誤差是一個復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在這里以第二代開關(guān)電流存儲單元為例進(jìn)行分析,。
圖1為存儲單元,，圖2為開關(guān)斷開時的電荷注入示意圖。
對圖1所示的存儲單元,，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)反型層表面勢壘;r是體閾值參數(shù);VT0是Vgs=0時的閾值電壓。
一般情況下,，1 V
將式(3)代入式(1),，得到注入存儲電容的溝道電荷為：
其中：aq表示溝道電荷注入存儲電容的分配系數(shù)，典型值為：aq=1/2,。由柵極擴(kuò)散覆蓋電容Co1,，注入存儲電容的電荷為：
根據(jù)式(4)和式(5)司得整個注入電荷的總量為：
存儲管柵—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,，上一級電路的輸出電阻與下一級電路的輸入電阻并聯(lián),。設(shè)上一級電路的輸出電流為Iout，輸出電阻為Rout,，下一級電路的輸入電流為Iin,，輸入電阻為Rin。,，則下一級電路的輸入電流為：
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)時鐘饋通誤差的改善,。改善時鐘饋通誤差可采用S2I電路,。圖4給出S2I存儲單元的電路和時序。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Mf為Mc提供偏置電流JoMc中存儲的電流為ic=J+ii。當(dāng)φ1a由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r,，由于時鐘饋通效應(yīng)等因素造成Mc單元存儲的電流中含有一個電流誤差值,，假設(shè)它為△ii。,，則Mc中存儲的電流為ic=J+ii+△ii,。在φ1b相期間，細(xì)存儲管Mf對誤差電流進(jìn)行取樣,，由于輸入電流仍然保持著輸入狀態(tài),，所以Mf中存儲的電流為If=J+△ii。當(dāng)φ1b由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r,，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可計算出輸出電阻為：
與圖1中第二代基本存儲單元相比，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,，構(gòu)造調(diào)整型共源共柵結(jié)構(gòu)s2I存儲單元,，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,。輸入信號為振幅50μA,，頻率200 kHz的正弦信號,，時鐘頻率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),。對圖1中第二代基本存儲單元仿真結(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點時,，輸出開關(guān)斷開，輸入開關(guān)閉合,，輸出電流變?yōu)榱?。在AB區(qū)間內(nèi)，輸入信號對存儲管的寄生電容充電,。在B點,，輸出開關(guān)閉合，輸入開關(guān)斷開,，輸出電流為B點的電流值,，半個時鐘周期后，在C點,，輸出開關(guān)斷開,，輸入開關(guān)閉合，繼續(xù)重復(fù)上一周期對輸入電流的采樣一保持,。整個電路全由MOS管構(gòu)成,，依靠晶體管的柵極寄生電容對輸入信號采樣一保持，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,，精確完成了對輸人信號的采樣一保持,。
來源:晚霞