霍 聰 穎

（衡水學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 衡水 053000）

0 引言

在19世紀(jì)80年代的早期，開關(guān)電容技術(shù)在模擬信號處理技術(shù)的主要力量中占據(jù)優(yōu)勢.最初開關(guān)電容主要應(yīng)用在精密的濾波模擬，后來發(fā)展的更廣泛，甚至包括一些非線性的信號處理.但是發(fā)展的比較成熟的開關(guān)電容電路需要線性浮置電容，使用雙層多晶硅實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電容，不適用于工藝尺寸縮小到深亞微米范圍；向深亞微米工藝發(fā)展的趨勢還導(dǎo)致電源電壓降低，直接減小適用于開關(guān)電容上的最大電壓擺幅，因而減小它們最大可達(dá)動(dòng)態(tài)范圍.在這種背景之下，近年來提出了基于電流模式的開關(guān)電流技術(shù)，且其研究迅速發(fā)展，在模擬取樣數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域有取代開關(guān)電容技術(shù)的趨勢[1].

1 問題的提出

1989年，J.B.Hughes等首次提出開關(guān)電流這一概念.作為取代開關(guān)電容技術(shù)的開關(guān)電流技術(shù)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，比如：與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，它是一種新型的模擬電路，運(yùn)行在電流模式狀態(tài)下，具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)，這類電路的設(shè)計(jì)方法還具有系統(tǒng)化、模塊化的特點(diǎn)[2].

開關(guān)電流電路的發(fā)展經(jīng)歷了第一代存儲(chǔ)單元和第二代存儲(chǔ)單元[3].圖 1（a）是開關(guān)電流第一代 SI電路，圖1（b）為第二代SI電路.第二代SI電路與第一代電路的原理是相同的，不同的是第二代存儲(chǔ)單元只用一個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)電流到電壓和電壓到電流的轉(zhuǎn)換.這樣一來就必須額外增加2個(gè)開關(guān)來控制晶體管電流的方向.

圖1 開關(guān)電流電路基本存儲(chǔ)單元

開關(guān)電流技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，理論上比開關(guān)電容技術(shù)更具優(yōu)勢，可是在實(shí)際的應(yīng)用中，開關(guān)電流技術(shù)也存在一些非理想因素影響并限制了開關(guān)電流電路的精度、速度、線性等方面.為此，基于第二代開關(guān)電流電路提出了一些改進(jìn)的方法.

2 開關(guān)電流電路的非理想因素

同開關(guān)電容技術(shù)一樣，MOS晶體管的不完整性導(dǎo)致與由它的信號處理模型的算法特征所描述的理想性能有偏差[4].根據(jù)MOS晶體管的不完善性的類型，開關(guān)電流電路的影響因素可以分為：失配誤差、輸出—輸入電導(dǎo)比誤差、調(diào)整誤差、電荷注入誤差等等.

不同于第一代開關(guān)電流電路的是，第二代開關(guān)電流基本單元不存在晶體管不匹配誤差.這是因?yàn)橄嗤木w管 M1在時(shí)鐘開關(guān)階段都使用.然而，有兩個(gè)基本的誤差存在于第二代開關(guān)電流基本單元，即時(shí)鐘饋通誤差和輸出跨導(dǎo)誤差.

2.1 時(shí)鐘饋通效應(yīng)誤差

圖1（b）為基本的第二代開關(guān)電流基本單元.電荷注入誤差是由2個(gè)因素引起的.第一個(gè)因素是時(shí)鐘信號φ1的容性耦合通過開關(guān)晶體管 MS寄生源區(qū)到擴(kuò)散區(qū)的重疊電容.第二個(gè)因素是電荷注入從開關(guān)晶體管溝道到存儲(chǔ)晶體管M1的柵極，當(dāng)開關(guān)管MS打開，通過開關(guān)管MS的電荷注入可以表示為[5]：

其中 VH是開關(guān)開啟的電壓，Vgs是存儲(chǔ)晶體管 M1的柵源電壓，WSLS是開關(guān)的面積.第二個(gè)引起時(shí)鐘饋通誤差的是開關(guān)柵源重疊電容COX.流入存儲(chǔ)晶體管的完全注入電荷表示為：

VL是時(shí)鐘的低電平，WSLovS是開關(guān)管MS源極重疊面積.與存儲(chǔ)晶體管電容CM和面積WMLM有關(guān)的時(shí)鐘饋通誤差電壓表示為：

忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，漏極電流id在時(shí)鐘φ2可以寫成：

輸出電流iout可以被分成2部分，一部分是輸入電流iin，另外一部分是誤差項(xiàng)ierr.

因此等式（3）中的誤差電壓產(chǎn)生了等式（5）中的誤差電流.

2.2 輸出電導(dǎo)誤差

MOS管在飽和區(qū)的漏極電流如等式（6）所示.

晶體管可以被描述為包括一個(gè)理想的晶體管參數(shù)λ=0，在漏極和源極之間連接一個(gè)數(shù)值為G0的電導(dǎo)的等效電路.由等式（6）可以得到：

這是一個(gè)信號等式，不僅僅是一個(gè)偏置電流的等式.電流誤差定義為：

與通過M1的寄生電容Cdg1反饋有關(guān)，它是從VDS1到VGS1變化的.雖然iε是一個(gè)離散時(shí)間值，但是它可以簡單地認(rèn)為是連續(xù)時(shí)間值 iε（t） 的簡化版.所以把等式（8）寫為

3 誤差改進(jìn)的方法及措施

目前已經(jīng)有很多種基于第二代開關(guān)電流基本單元的改進(jìn)電路.以前的許多種改進(jìn)電路主要著眼于誤差電壓的減少.本文提出了一種基于誤差電壓減少和負(fù)反饋技術(shù)的第二代開關(guān)電流基本單元的改進(jìn)電路.圖 2為改進(jìn)的3.3 V開關(guān)電流電路的電路示意圖.

和傳統(tǒng)的第二代開關(guān)電流基本單元電路相比，改進(jìn)的電路有以下的優(yōu)點(diǎn)：第一，為了減少柵極電壓誤差，使用了一個(gè)二極管連接方式的MOS管，其工作方式相當(dāng)于一個(gè)二極管，見圖3.另外也加入了一個(gè)MOS管電容MC.MOS管電容增加了節(jié)點(diǎn)C的電容值，它能減少開關(guān)S2的時(shí)鐘饋通效應(yīng).另外，為了減少輸出電導(dǎo)阻抗誤差當(dāng)輸入電流改變的時(shí)候，加入MOS管M2在改進(jìn)的電路中.

圖2 改進(jìn)的開關(guān)電流電路

圖3 級聯(lián)MOS管示意圖

當(dāng)時(shí)鐘φ2到達(dá)，偏置電流和輸入電流iin注入晶體管M1.與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的電壓增加直到晶體管M1的漏極電流等于偏置電流和輸入電流的和.當(dāng)穩(wěn)定的時(shí)候，因?yàn)槠秒娏魇浅?shù)，節(jié)點(diǎn) B的電壓也幾乎是常數(shù).當(dāng)時(shí)鐘φ2關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)電壓A被保持，因?yàn)槎O管連接方式的晶體管防止了電荷流出開關(guān)S2，開關(guān)S2的時(shí)鐘饋通效應(yīng)也被晶體管電容補(bǔ)償.因此，晶體管M1保持了偏置電流和輸入電流.

與傳統(tǒng)的第二代開關(guān)電流基本單元電路不同，加入用時(shí)鐘φ1控制的開關(guān) S1.在改進(jìn)電路中因?yàn)殡娏髯⑷牍?jié)點(diǎn)A通過二極管連接方式的晶體管.然而，不能使電荷流出電壓節(jié)點(diǎn)A.為了使節(jié)點(diǎn)A能流入和流出電荷，加入一個(gè)開關(guān)S1在節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B中.當(dāng)開關(guān)S1關(guān)閉，偏置電流流入晶體管.當(dāng)開關(guān)S1打開，節(jié)點(diǎn)A的電壓減少，因?yàn)殡姾蓮拈_關(guān) S1注入到節(jié)點(diǎn) A.因此，無論輸入電流是正的還是負(fù)的，它都能夠通過二極管連接方式的晶體管注入節(jié)點(diǎn)A.

圖4為二級開關(guān)電流電路的示意圖.第二級電路的工作過程和第一級電路是一樣的.當(dāng)時(shí)鐘φ2關(guān)閉，輸出電流iout等于輸入電流iin.因?yàn)榫w管M1保持偏置電流和輸入電流.與此同時(shí)，由于第二級有常數(shù)偏置電流，節(jié)點(diǎn)B的電壓保持不變，它形成了一個(gè)負(fù)反饋通過開關(guān)S3，所以節(jié)點(diǎn)B的電壓也是常數(shù).這個(gè)作用可以減少輸出電導(dǎo)誤差.最后，與信號有關(guān)和與信號無關(guān)的誤差都要被減少.因此，輸出電流等于輸入電流.

圖4 二級開關(guān)電流電路圖

4 模擬和仿真結(jié)果

新的改進(jìn)的開關(guān)電流基本單元電路用0.35 μm工藝制作，電源電壓3.3 V，電路用Pspice軟件仿真.偏置電流 Io射程 100 μA，輸入電流為正弦波，范圍是－20～20 μA.圖5為仿真結(jié)果.從仿真結(jié)果來看，輸出電流誤差很小，波形理想，達(dá)到了預(yù)期的目的.

5 結(jié)束語

開關(guān)電流技術(shù)（SI）作為一種要替代開關(guān)電容技術(shù)（SC）的新技術(shù)，也存在一些非理想性的因素，使其應(yīng)用受到了一定的限制.因此，分析其誤差并做出相應(yīng)的改進(jìn)，達(dá)到理想的效果，使開關(guān)電流技術(shù)有更廣闊的發(fā)展前景.

圖5 仿真結(jié)果

[1] 胡沁春.小波變換的開關(guān)電流技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2007:1-3.

[2] 龍佳樂，何怡剛，張建民.用開關(guān)電流技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)小波變換的改進(jìn)方法[J].信息與控制，2007，36（4）:441.

[3] 陳曦，高勇.開關(guān)電流電路及其誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（10）:99.

[4] Toumazou C， Hughes J B， Battersby N C.開關(guān)電流—數(shù)字工藝的模擬技術(shù)[M].姚玉潔，劉素馨，劉激揚(yáng)，等，譯.北京:高等教育出版社，1993:27-50.

[5] Helfenstein M， Moschytz G S.A Clock-feedthrough Compensation Technique for Switched-Current Circuits[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-II:Analog and Digital Signal processing，1995，42（3）:156.