開關電流電路主要誤差的改善

李　帆　王衛東　鄭　瑋

摘 要：開關電流電路是一種新型的數據采樣技術。針對開關電流電路中的時鐘饋通誤差與傳輸誤差進行詳細分析，構造出一種調整型共源共柵結構的S2I開關電流存儲單元，并用HSpice進行仿真，與基本的開關電流存儲單元的性能和Matlab中的理想波形進行對比。結果表明該電路性能大大提高，精確完成了對輸入波形的采樣-保持。

關鍵詞：開關電流;S2I存儲單元;調整型共源共柵結構;傳輸誤差

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B 文章編號：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

開關電流技術是一種新的模擬信號采樣、保持、處理技術。它具有電流模電路的特有優點，如速度快，適合于低電壓工作等。與傳統的開關電容技術相比，開關電流技術不需要線性電容和高性能的運算放大器，整個電路由晶體管組成，因此可與標準的數字CMOS工藝兼容。針對開關電流電路中的時鐘饋通誤差和傳輸誤差進行詳細分析，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雜的物理現象，在這里以第二代開關電流存儲單元為例進行分析。

圖1為存儲單元，圖2為開關斷開時的電荷注入示意圖。

圖1 第二代存儲單元

對圖1所示的存儲單元，Ms的溝道電荷可以近似地描述為：

Δqch礐ox猈Seff狶Seff(VH－vgs－VT)(1)

其中：Cox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-源電壓；VT是MsУ你兄檔繆梗由式（2）給出:

VT=VT0+γ(2|φF|+vgs－2|φF|)(2)

式中：2|φF|是強反型層表面勢壘；γ是體閾值參數；VT0是vgs = 0時的閾值電壓。

圖2 開關斷開時的電荷注入示意圖

一般情況下，1 V＜vgs＜3.5 V，б虼絲梢緣玫揭韻陸似關系:

VT霽T0+γ3vgs(3)

將式(3)代入式(1)，得到注入存儲電容的溝道電荷為:

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

其中：Е羜表示溝道電荷注入存儲電容的分配系數，典型值為：αq=1/2。由柵極擴散覆蓋電容Colё⑷氪媧⒌縟蕕牡綰晌:

Δqolinj礐ol(VH－VL)(5)

根據式(4)和式(5)可得整個注入電荷的總量為:

Δqinj鄲羜{Cox猈Seff狶Seff猏γ3)－VT］}+

Col(VH－VL)(6)

存儲管柵-源電壓的誤差為:

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)。

假設晶體管工作于飽和區，則：

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莆調制指數。將式(9)代入式(8)，得：

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

所以由時鐘饋通效應產生的漏電流誤差為：

Δiq礸m1+miΔvq+β2(Δvq)2（11）

2 傳輸誤差分析

開關電流電路屬于電流模式電路，其基本結構的等效電路如圖3所示。

圖3 SI等效電路

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。設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，г螄亂患兜緶返氖淙氳緦魑：

Iin=Rout Iout/（Rin+Rout）（12）

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Ф1a相，Mf的柵極與基準電壓Vref相連，此時Mf為Mc提供偏置電流J。Mc中存儲的電流為ic=J+ii。當Ф1a由高電平跳變為低電平時，由于時鐘饋通效應等因素造成Mc單元存儲的電流中含有一個電流誤差值，假設它為Δii，則Mc中存儲的電流為ic=J+ii+Δii。在Ф1b相期間，細存儲管Mf對誤差電流進行取樣，由于輸入電流仍然保持著輸入狀態，所以Mf中存儲的電流為If=J+Δii。當Ф1b由高電平跳變為低電平時，考慮到Δii<

圖4 S2I存儲單元

(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。下面介紹一種調整型共源共柵結構電路，見圖5。

圖5 調整型共源共柵結構電路

由圖5可計算出輸出電阻為：

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

與圖1中第二代基本存儲單元相比，輸出電阻增大gmb［gmr1(1gr1+1gr2)－1］gbП丁

結合S2I電路與調整型共源共柵結構電路的優點，構造調整型共源共柵結構S2I存儲單元，見圖6。

4 仿真及結果

采用0.5 μm標準數字CMOS工藝對圖6電路仿真，仿真參數如表1所示：

表1 主要晶體管參數

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襯底接地，所有PMOS襯底接電源。所有開關管寬長比均為0.5 μm/0.5 μm。輸入信號為振幅50 μA，頻率200 kHz的正弦信號，時鐘頻率5 MHz,猇ref=2.4 V,VDD=5 V。表1中給出了主要晶體管仿真參數。HSpice仿真結果見圖7(a)。對圖1中第二代基本存儲單元仿真結果見圖7(b)。

圖6 調整型共源共柵結構S2I存儲單元

圖7 調整型共源共柵結構S2I電路波形與圖1中

第二代基本開關電流存儲單元波形比較

從圖7中可以看出，調整型共源共柵結構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，輸出開關斷開，輸入開關閉合，輸出電流變為零。在AB區間內，輸入信號對存儲管的寄生電容充電。在B點，輸出開關閉合，輸入開關斷開，輸出電流為B點的電流值，半個時鐘周期后，在C點，輸出開關斷開，輸入開關閉合，繼續重復上一周期對輸入電流的采樣-保持。整個電路全由MOS管構成，依靠晶體管的柵極寄生電容對輸入信號采樣-保持，所以可以與標準數字CMOS工藝兼容，與數字電路集成在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精確。

圖8 調整型共源共柵結構S2I電路的波形放大圖與Matlab中的理想波形

5 結 語

與開關電容電路相比，開關電流電路不需要線性浮置電容，能夠與標準數字CMOS工藝兼容。但是由于誤差的存在，至今無法完全取代開關電容電路。這里分析了開關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,從仿真結果可以看出改進后的電路性能大大提高，精確完成了對輸入信號的采樣-保持。

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作者簡介 李 帆 男，1982年出生，碩士研究生。研究方向為模擬集成電路設計。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。