开关电流电路主要误差的改善

李　帆　王卫东　郑　玮

摘 要：开关电流电路是一种新型的数据采样技术。针对开关电流电路中的时钟馈通误差与传输误差进行详细分析，构造出一种调整型共源共栅结构的S2I开关电流存储单元，并用HSpice进行仿真，与基本的开关电流存储单元的性能和Matlab中的理想波形进行对比。结果表明该电路性能大大提高，精确完成了对输入波形的采样-保持。

关键词：开关电流;S2I存储单元;调整型共源共栅结构;传输误差

中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2009)04-011-03

Improvement of Switched-current Circuit′s Error

LI Fan,WANG Weidong,ZHENG Wei

(Guilin University of Electronic Technology,Guilin,541004,China)

Abstract：The switched-current circuittechnology is a new type data sampled technology.The transmission and clock feedthrough errors are analyzed.a regulated-cascoded S2I memory cell is proposed and simulated by HSpice.Comparing to performance of basical switched-current memory cell and ideal waveform in Matlab,The results show that the quality of circuit is improved.It obviously reduces the errors and can sample the signal accurately.

Keywords：switched-current;S2I memory cell;regulated-cascoded;transmission error

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。

图1 第二代存储单元

对图1所示的存储单元，Ms的沟道电荷可以近似地描述为：

Δqch礐ox猈Seff狶Seff(VH－vgs－VT)(1)

其中：Cox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-源电压；VT是MsУ你兄档缪梗由式（2）给出:

VT=VT0+γ(2|φF|+vgs－2|φF|)(2)

式中：2|φF|是强反型层表面势垒；γ是体阈值参数；VT0是vgs = 0时的阈值电压。

图2 开关断开时的电荷注入示意图

一般情况下，1 V＜vgs＜3.5 V，б虼丝梢缘玫揭韵陆似关系:

VT霽T0+γ3vgs(3)

将式(3)代入式(1)，得到注入存储电容的沟道电荷为:

Δqchinj郸羜Cox猈Seff狶Seff［VH－vgs（1+γ/3）－VT］(4)

其中：Е羜表示沟道电荷注入存储电容的分配系数，典型值为：αq=1/2。由栅极扩散覆盖电容Colё⑷氪娲⒌缛莸牡绾晌:

Δqolinj礐ol(VH－VL)(5)

根据式(4)和式(5)可得整个注入电荷的总量为:

Δqinj郸羜{Cox猈Seff狶Seff猏γ3)－VT］}+

Col(VH－VL)(6)

存储管栅-源电压的误差为:

Δvq≡Δqinj/Cgs=ΔVqoff－ξqvgs(7)

式中:ЕVqoff=αqCgs［Cox猈Seff狶Seff(VH－VT)+Col狢gs(VH－VL);ξq=αqCgs狢ox猈Seff狶Seff(1+γ3)。

假设晶体管工作于饱和区，则：

ids=β2(vgs－VT－Δvq)2=β2(vgs－VT)2－

β(vgs－VT)Δvq+β2(Δvq)（8）

由于：

β(vgs－VT)=2βJ(1+mi)=gm1+mi（9）

式中:mi=ii/J，С莆调制指数。将式(9)代入式(8)，得：

ids=β2(vgs－VT)2+gm1+miΔvq+β2(Δvq)2（10）

所以由时钟馈通效应产生的漏电流误差为：

Δiq礸m1+miΔvq+β2(Δvq)2（11）

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。

图3 SI等效电路

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，г蛳乱患兜缏返氖淙氲缌魑：

Iin=Rout Iout/（Rin+Rout）（12）

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Ф1a相，Mf的栅极与基准电压Vref相连，此时Mf为Mc提供偏置电流J。Mc中存储的电流为ic=J+ii。当Ф1a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Δii，则Mc中存储的电流为ic=J+ii+Δii。在Ф1b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+Δii。当Ф1b由高电平跳变为低电平时，考虑到Δii<

图4 S2I存储单元

(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。

图5 调整型共源共栅结构电路

由图5可计算出输出电阻为：

Rout=1gc{1+gmb［gmr1(1gr1+1gr2)－1］1gb}（13）

与图1中第二代基本存储单元相比，输出电阻增大gmb［gmr1(1gr1+1gr2)－1］gbП丁

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 μm标准数字CMOS工艺对图6电路仿真，仿真参数如表1所示：

表1 主要晶体管参数

M1W/L2.5 μm/2 μmM5W/L1 μm/1 μm

M2W/L20 μm/1 μmM6W/L5 μm/1 μm

M3W/L25 μm/0.5 μmM7W/L1 μm/1 μm

M4W/L6 μm/2 μmM8W/L13.5 μm/1 μm

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50 μA，频率200 kHz的正弦信号，时钟频率5 MHz,猇ref=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)。

图6 调整型共源共栅结构S2I存储单元

图7 调整型共源共栅结构S2I电路波形与图1中

第二代基本开关电流存储单元波形比较

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-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-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。

图8 调整型共源共栅结构S2I电路的波形放大图与Matlab中的理想波形

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，精确完成了对输入信号的采样-保持。

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作者简介 李 帆 男，1982年出生，硕士研究生。研究方向为模拟集成电路设计。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。