（材料物理与化学专业论文）开关电流型自校准高精度da转换器的研究.pdf

摘要 ( 随着集成电路集成度的不断提高，数模混合系统实现单片集成。数字信号 处理不断取代模拟解法，使模拟电路在数模混合系统中仅占一小部分，于是更强 调模拟电路工艺的兼容。和开关电容相比较，开关电流技术完全与标准数字 c m o s 工艺兼容的特点显现出来。、7 本文设计的电流自校准1 2 位d a 转换器，采用t s m c 公司0 3 5 u r n 工艺的 模型设计完成，是开关电流型n y q u i s t r a t e 数模转换器。 文章详细分析了第二代开关电流的核心结构电流拷贝单元的原理、不 完善性和设计技术。电流拷贝单元利用存储在m o s 晶体管栅极氧化电容上的电 荷，在m o s 晶体管栅极开路时仍能维持其漏极电流。以电流拷贝单元作自校准 电流源，进而构成d a 转换器的位电流阵列，每个自校准电流源依次向同一个 l - 参考电流源采样校准。伯校准电流源阵列的每个位电流输出电流的大小并不依赖 l 于每个存储管特定的v t 和d 的值，而是等于参考电流的大小。电流自校准能克 服由v l s i 制造工艺不能避免的器件失配所造成的位电流互等精度变差的问题。 电流拷贝单元中用作开关和存储管的m o s 晶体管都是非理想的器件，使得电流 拷贝单元的实际工作性能与理想性能有偏差。要成功地设计开关电流电路满足 一定的模拟性能条件，最重要的是控制m o s 管的不完善性。 本设计1 2 位d a 转换器中，采用了：共栅放大有源拷贝单元和共源一共栅 组态拷贝单元的组合控制拷贝单元的输出输入电导比误差；n i n o s p m o s 并联的 电压采样开关减小沟道电荷注入误差；提高校准频率和同一数字位控制的自校准 电流源在自校准电流源环中等距分布两种方法降低漏电流误差。 一舀 文章设计了完整的d i a 转挟器电路，给出了各个模块和全电路的设计和仿 真结果。陔设计的目标是利用开关电流技术、标准c m o s 工艺、3 3 v 工作电压 实现1 2 位d a 转换器，其电流l s b 是7 8 1 2 r t a 。电压l s b 是0 2 5 m v ，非线性 误差0 1 3 l s b 。 关键词d a 套换器开关电流自校准电流拷贝单元失矗 分类号：氰7 9 + 2 ，硝4 7 丫r a b s t r a c t ： w i t ht h ed e n s i t yo ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i ti n c r e a s i n g ，t h em i x e d s i g n a ls y s t e mc a nb e i n t e g r a t e di no n ec h i p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi ss op o p u l a rt h a tm a n y a n a l o gc i r c u i t sa r e r e p l a c e db yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g n o w a d a y s ，t h ea n a l o gc i r c u i t sj u s to c c u p yas m a l l e rp a r t o fm i x e ds i g n a l s y s t e m t h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ea n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i t sm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t c o m p a r e dw i t hs w i t c h e dc a p a c i t o r s ，s w i t c h e dc u r r e n t s c a r lb e c o m p a t i b l e w i t hs t a n d a r dc m o sd i g i t a l t e c h n o l o g yc o m p l e t e l y t h i sa d v a n t a g e b e c o m e sm o r en o t i c e a b l e t h i sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h ec u r r e n ts e l f - c a l l b r a t i o n1 2b i td ac o n v e r t e r ，ak i n do f n y q u i s t - r a t ed i g i t a lt oa n a l o gd a t ac o n v e r t e r , w h i c hi ss i m u l a t e dw i t ho 3 5 u r np r o c e s sm o d e l o f t s m c t h e 硼n c i p l eo ft h ec u r r e n tc o p yc e l l ，t h e c o r es t r u c t u r eo ft h e s e c o n d - g e n e r a t i o n s w i t c h e dc u r r e n t s i sp r e s e n t e d 1 h ei m p l e m e n t a t i o na n dt h ed e s i g nt e c h n i q u eo f t h e c o p y c e l l a r ea d d r e s s e d c u r r e n tc o p yc e l lb a s e du p o nc h a r g es t o r a g eo nt h ei n t r i n s i cg a t e - s o u r c ec a p a c i t a n c eo f m o st r a n s i s t o r w h i c hc a nh o l dt h ed r a i nc u r r e n tw h e nt h eg a t eo fm o st r a n s i s t o ri so p e n e d m a n ys e l f - c a l i b r a t i o nc u r r e n ts o u r c e sf o r m e db yc u r r e n tc o p yc e l l s c a nc o n s t i t u t et h eb i t c u r r e n ts o u r c ea r r a yo ft h ed ac o n v e n e rt h eo u t p u tc u r r e n to ft h i sk i n do fc u r r e n ts o u r c el s n o td e t e r m i n e db yt h es t o r a g et r a n s i s t o r sv ta n db ，b u tt h es a n l ea st h er e f e r e n c ec u r r e n t s o u r c e s oc u r r e n ts e l f - c a l i b r a t i o nc a no v e r c o m et h ed e f e r e n c ea r n o n gc u r r e n ts o u r c e sc a u s e d b yt h ec o m p o n e n t sm i s m a t c h i n go f v l s i b u tt h em o st r a n s i s t o ru s e di nt h ec n l t e n tc o p y e e l la ss w i t c ha n ds t o r a g et r a n s i s t o ri sn o tp e r f e c t t h ei m p l e m e n t a t i o nm a k e sa c t u a l p e r f o r m a n c eo fm o s t r a n s i s t o rn o ta sw e l la st h a to ft h ei d e a lm o d e l i no r d e l - t od e s i g n s w i t c h e dc u r r e n ts u c c e s s f u l l ya n dt om e e tt h ea n a l o gp e r f o r m a n c et h es y s t e mr e q u i r e d ，t h e m o s tl m p o r t a n ti sh o wt oc o n t r o jt h ei m p l e m e n t a t i o no f c u r r e n tc o p yc e l l i n m yd e s i g n o f1 2b i td ac o n v e n e r ii n t r o d u c e s ：t h ec o m b i n a t i o no ft h e c o m m o n - g a t ea m p l i f i e dc o p y c e l la n dt h ec o m m o n - g a t e - - c o m m o n s o u r c ec o p yc e l lt oc o n t r o l t h ee r r o rc a u s e db yt h er a t i oo fo u t p u tt r a n s - e o n d u c t o ra n dt h ei n p u tt r a n s - e o n d u c t o r ；t h e p a r a l l e lt o m , n o t i o no fn n l o s p m o s t r a n s i s t o rt or e d u c et h ec h a n n e lc h a r g e 谢e c t i o nt ot h e g a t e o fs t o r a g e t r a n s i s t o r ；i n c r e a s i n g t h e f r e q u e n c y o fc a l i b r a t i o na n dd i s t r i b u t i n gt h e s e l f - c a l i b r a t i o nc u r r e n ts o u r c e si n t ot h es e l f - c a l i b r a t i o nc i r c l eo ne q u a ld i s t a n c e ，w h i c ha r e u n d e rt h ec o n t r o lo ft h es a m ed i g i t a lb i t ，u s i n gt h e s et w om e t h o d st or e d u c et h ee r r o ro f t h e l e a k a g ec u t t e n t o f t h e g a t e t h ew h o l es t r u c t u r eo f1 2 - b i td ac o n v e r t e ri sd e v e l o p e d t h es c h e m a t i c s a n d s i m u l a t i o nr e s u l t so fe v e r ym o d u l ea r ep r e s e n t e d t h et a r g e to fm yd e s i g ni s t oi m p l e m e n t 1 2 b i td ac o n v e r t e rw i 1 s w i t c h e dc u r r e n t st e c h n o l o g y ，s t a n d a r d d i g i t a l m a n u f a c t u r e t e c b a a o l o g y a n d3 3 v s u p p l yv o l t a g e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n tl s bo f 7 8 1 2 h a t h ev o l t a g e l s bo f o 2 5 m va n d t h e n o n l i n e a r e r r o r o f 0 1 3 l s b k e y w o r d s ：d a c o n v e r t e rs w i t c h e dc u r r e n t s e l fc a l i b r a t i o nc a r r e n tc o p yc e l lm i s m a t c h i n g 蔓二兰! ! 童 第一章引言 由于集成电路工艺技术的发展，使得数模混合系统可以集成于同一片集成电 路。开关电容技术作为模拟信号处理技术占据优势地位。那么为什么还需要像开 关电流这样的新技术呢? 开关电容在1 9 7 2 年问世以后颇受欢迎，特别是在低频应用( 例如电话) 中，它 能实现精度更高，密度更大的有源r c 滤波器。开关电容的应用扩展到更通用的 信号处理，并用来实现完整的采样数据子系统。但是到8 0 年代中期，以前用开关 电容构成的系统已开始寻求数字信号处理的解决方法。虽然数字方法通常消耗较 大、硅片面积可利用率较低，但它能提供具有较短时间价格比的较容易的计算 机辅助设计。数字信号处理测试方法较简单，并且随着v l s i 特征尺寸减小、复杂 度增加，一个完整的系统都可以集成在一片硅片上。这就改变了开关电容的作用。 单片数字系统在其与外界接口的地方需要模拟电路，开关电容通常可在这些接口 处完成a d 和d a 转换、采样和保持、滤波等功能。 然而开关电容和标准v l s 工艺不完全兼容。它对线性浮置电容的要求导致 产生一些特定工艺方案，如双多晶硅工艺，已被加入到数字v l s i 工艺上。在其全 盛时期，当它们占据整个芯片时，这个额外的费用还不是很重要。然而，在其现 在的作用中，它们可能占据不超过芯片总面积的l o _ _ 2 0 ，额外费用就不合算了。 随着特征尺寸进一步缩小到亚微米范围，数字系统将具有更高的电路密度，但这 也将导致更高的功耗；同时其产生的器件电场使m o s f e t 性能更差。针对这种情 况，标准电源电压从5 v 降低到3 3 v ，将直接减小开关电容上的电压摆幅。可见， v l s l 工艺将是对数字性能而不是对模拟性能的优化。因此，随着v l s i 工艺的发 展，开关电容性能实际上被降低了。 以此为背景出现了开关电流的新技术。开关电流与标准数字c m o s 工艺完 全兼容；开关电流系统的应用与开关电容系统的应用有很多相同之处，印滤波器、 a d 和d a 转换器、一般信号处理等。在开关电流电路中不需要线性浮置电容， 并且在原理上，用电流表示信号时，所需电压摆幅不大。 第一代开关电流技术是由简单电流镜发展起来的。但是电流镜存在由晶体管 失配产生的必然误差，电路规模越大，这种误差越不可避免。电流拷贝单元的引 ! = 兰兰! ! 入能克服这种缺点，这就是第二代开关电流电路。开关电流技术是工艺技术推动 模拟集成电路设计的很好例证，促进了标准数字工艺技术的混合信号v l s i 的发 展。 如前所述，完全与标准数字工艺兼容的高精度d a 转换器是开关电流系统的 应用之一。随着集成电路工艺的发展和数字信号处理的更多使用，对用于测量和 数字音频设备的高分辨率d a 和a d 转换器的线性度的要求越来越高，而传统的电 流型的d a 应用简单电流镜技术，其精度受限制于给定标准工艺的器件匹配性， 对于现代的数字v l s i 工艺来说，d a 的精度仅能达到1 0 b 。因此，为了获得高分 辨率必须考虑使用附加自校准技术。很多自校准技术的缺点是需要一个特殊的自 校准周期，在这个自校准周期里，转换器不能用于转换操作，因此限制了其应用 范围，并且也占用了较大的芯片面积存储误差信号。其他的自校准技术如激光修 正、外部调整，占用了特定的时间和器件，并对老化实验和温度非常敏感。而动 态器件的匹配需要外加器件。 相比之下，采用第二代开关电流技术，即基于电流拷贝单元的电流自校准技 术可以克服v l s i 工艺的失配( m i s m a t c h i n g ) ，并且采用了各用自校准电流单元 ( s p a r ec u r r e n t c o p yc e l l ) 的d a 转换器优于其他校准技术，能够实现连续的d a 转换操作。电流自校准技术的主要特点是：所有的电流拷贝单元向一个参考电流 逐一采样；每个电流拷贝单元有两个状态，在校准状态时，拷贝单元向参考电流 采样，并在栅源电容( c 。) 上存储相应的电荷，在输出状态时，断开和参考电流的 连接，向输出端输出一个拷贝电流；所有的电流拷贝单元作d a 转换器的位电流； 应用备用电流拷贝单元，使d a 转换可连续进行而不需要特定的自校准周期；与标 准工艺兼容，可以利用标准工艺设计完成高精度的d a 转换器。 本文的第二章将详细分析开关电流技术的优点和局限性；第三章讨论第二代 开关电流的设计技术，旨在控制其不完善性从而成功地设计开关电流电路：第四 章设计实现开关电流型自校准1 2 位d a 转换器，直观的证明高性能开关电流型电 路对v l s i 工艺的适应性：第五章给出设计和研究的结论。 2 兰三! 耍兰兰兰璺皇兰皇堡兰苎查 g _ - 章开关电流及电流自校准技术 这一章将分析开关电流的基本电路的结构，并利用对电流拷贝单元的各种 误差的分析来导出公式，以便选择适合的设计结构和m o s 晶体管尺寸及工作电 流，从而控制误差并发挥开关电流电路的优点，达到设计要求。 2 1第一代开关电流技术 2 1 1 简单电流镜的原理 第一代开关电流的基础是简单电流镜，它在模拟集 成电路中是一个普遍存在的标准部件，广泛应用于 c m o s 工艺技术中，用来实现偏置电流或信号电流的复 制、倍乘或整除。 首先回顾m o s 晶体管的基本特性，对下文推导简 单电流镜的增益和阈值电压的失配问题非常有用。m o s v 田2lm 0 s 晶体管的符号和定望 晶体管的符号和定义如图2 1 ，在一次近似的情况下，m o s 晶体管的全部特性可 用如下三个参数来描述：源与衬底短接时的闽值电压v 。，表示因沟道中固定电 荷量引起栅极电压效应减弱的因子n ，以及传输参数d ( p = 心。1 。，式中：“ 是载流子的迁移率，c 。是单位面积的栅氧化层电容值) 。第三个参数也可以不用 传输参数而用特定的电流i 。来表示： i 。= 2 n p u 2 t = 2 n m c 。x u 2 t ( 式2 1 ) 式中：u ，= 觋。每个晶体管的p 值和 i 。值均由可改变的w ，l 的值来设定。通 常，在v g 较小时因子n 的值是1 , 5 2 ， 随着v g 值的增大n 趋向于1 。 图2 2 中定性地给出了漏极电流l d 随漏极电压v o 的变化关系。假定栅极电 压恒定并为正值，则v o 值大于饱和值 圈z2 漏搬电流h 随镉七鹱电压v 。酌变化* 系 3 苎苎兰兰苎兰兰垒兰查皇竺兰苎查 v d s a t 时，晶体管可被视为个电流源i 对于i d i s ) ，则晶体管工作在强反型层，漏极电流可用 下列关系式建模： 导电区，即v d v d s 。 i 。= p ( v d v s ) v b v t o 一罢( v d + v s ) ( 式2 2 ) 饱和区，即v d v d s 。 i 。= i = 芸( v g v t 。一n v s ) 2 ( 式2 3 ) 舯v d s a t 2 半= v s + 2 u t 正 ( 2 ) 如果饱和电流很小( i 0 5 ) 时i o ( t ) 在上冲之后有指数阻尼 正弦振荡。对后半个时钟周期，t = t 2 时的 i 。( t ) 值被存储。欠阻尼情况下所产生的调 ( 式2 2 9 ) ( 式2 3 0 ) 响应为临界阻尼的；q 0 5 时，响应 二：交：劳 - - 节一 - 、= _ 二= i i ：；羔 牙 i 豳6 对于单位阶跃辅 电魄的时域响碰 整误差为。( u ) = 1 - i o ( t 2 ) 。在t o 。时刻出现的上冲，其幅度为。当指定的误差 = 。时，得到最小调整时间t s 。 2 临界阻尼响应 对于临界阻尼情况( q = 0 5 ) ，时域响应是一个指数响应，因而没有上冲。 临界阻尼情况下的调整误差s s ( c ) 为8 s ( c ) = 1 - i o ( t 2 ) 。 - 3 过阻尼响应 对于过阻尼情况( q 0 5 ) ，时域响应是无上冲的指数。过阻尼情况下的调 整误差定义为为。s ( o ) = 1 - i o ( t ，2 ) 。 从图2 6 的曲线可以看出，欠阻尼误差具交变极性。如果在高于1 的某些时 孽 -r第二章开关电流及电流自校洼技术 刻取样，则增益变得大于l ，系统可能变得不稳定。显然过阻尼或临界阻尼不可能 出现增益大于1 的不稳定情况。虽然欠阻尼响应在原理上可以给出最短的调整时 间，但从过阻尼响应可获得较大的安全性。式2 3 0 的极点频率和式2 3 1 的q 因 子部分地由寄生分量确定，并且由于工艺分散性和偏置条件，要经受大的变化。 所以应该选择过阻尼响应。实际设计中，选择可实现的q 值，以得出实际的设计 尺寸，而且防止出现欠阻尼。 2 2 _ 3 3 电荷注入误差 在取样相，图2 4 中所示开关& 、s 1 闭合， 允许栅源电容充电到足以支持漏极输入电流 i 。f 的电压。在保持相，开关s 2 打开，并且理 想上栅源电压是保持取样相期间建立的值，结 果是输出电流与取样输入电流完全匹配。实际 上如图2 7 ，开关是由m o s 晶体管m 2 被激励 到线性区( 闭合状态) 和截止区( 打开状态) 来实 现的。在断开的过程中，当m o s 开关变得要 打开时，在栅下反型层的可移动电荷流出开关 控制信号l _ 厂 i 圈2 f 屯流拷贝单元的肄体实现 晶体管的漏极、源极和衬底。快变化的栅极电压使得沟道电荷从开关栅极扩散重 叠电容流出，并且流出m o s 开关的源极和漏极输出端。这个总电荷的一部分进入 存储晶体管栅源电容c g s i 并在电容c g ；上产生误 差电压6v ，在单元输出电流中产生误差6 i 。 分析电流拷贝单元中开关的沟道电荷注入： 在开关关断的瞬间，沟道存在，等效电路如图2 8 ( a ) 所示，最初几近相等的电流i d 和b 流入开关的漏 极和源极。因为c d 比c 小得多，所以势必会使结 点的电压比结点上的电压下降得快。这就引 起一个通过沟道电阻r s 从结点到结点的放电 电流，放电时间常数近似为r s c d 。电流i 。增大，电 ( b ) 夹断后 瞰2 月电流拷卯单元的等效电譬占 1 2 第二章开* 电流及电流自校准技术 流i d 减小，当沟道趋近夹断，r s 增加趋向无限大，通过r s 的电流消失。电流i 。使 得结点上的电压降低，v 。变小。存储晶体管漏极电流下降的结果，产生一个与 放电电流反向流入r s 的额外电流，并且趋向于降低电荷注入误差( 这是一个负反 馈过程) 。然而这个负反馈过程能否发生与开关速度有关。 控制开关的脉冲下降时间很短时( i n s ) ，从开关m ：来的电荷在存储晶体管 漏极和栅极电容之间几乎等分。这是因为沟道消失时间太短，不足以实现电荷再 分配。随着t f a l l 增加，开关沟道保持较长时间导通，有时间给起初注入到存储晶 体管漏极电容c d 的电荷再分配到其栅极电容c 上，因而增加注入误差。但当t 刚 值超过1 0 n s ，负反馈环具有作用时间，这种作用降低电荷注入误差。电流拷贝单 元的三个时间常数r s c d 、t f a l 】和c g m ，它们的相对大小对电荷注入量都有影响， 注入到存储电容c 的开关电荷的比例取决于许多因素。 此外，对于一定量的注入电荷，存储管的w x l 和g 。都和最终产生的误差电 流有关。 2 2 3 4 漏电流误差 电流拷贝单元漏电流的主要来源示于 图2 9 。电流i i 。是存储晶体管漏极和衬底之间 的反偏二极管的漏电流，远远小于k f ，因而可 忽略。电流i m 和i i o u l 给拷贝电流加入等于 i l 。一i n 的失调。这一失调与取样开关漏电流 i 。的影响相比可忽略。1 i 。是开关源极和衬底之 间的反偏二极管d 1 的漏电流。在输出相，i i 。 圈2 9 电流拷， 单元中的漏电流 影响存储晶体管的栅极电压，导致与保持时间t h 成正比的漂移。 在室温( e o = 3 0 0 k ) 时，漏电流很小( p a 级) ，通常可忽略。根据式2 3 1 漏电 流会随温度上升迅速增加 1 1 ( e ) _ 1 1 1 “e x p ( 豢，学) 【棚) 式中1 1 ，。是热力学温度e o 时的漏电流，w 是禁带( 对硅为1 1 2 e v ) ，k b 是波尔兹 第二章开关电流及电流自校准技术 曼常数。 由式2 3 1 ，当温度增加1 5 。c ，漏电流增大1 0 倍。因而在7 0 。c ，漏电流比在 室温时增高至1 0 0 0 倍。故而，温度上升迫使电流拷贝单元性能急剧恶化。当工作 温度高于4 0 。c 时，应考虑漏电流的影响。所以采用电流拷贝单元的设计要充分估 计温度的影响。 由以上分析可以得出，输出输入电导比误差和调整误差发生在校准过程当 中，采用适当的设计技术可以消除它们对电流拷贝精度的影响。而电荷注入误 差和漏电流误差是发生在校准结束时刻和校准结束之后，直接影响输出电流的精 度，只能够想办法减小。因此在高精度电路的设计工作中，必须充分估计这两种 误差，采用特殊的设计技术加以约束。 1 4 苎苎兰兰苎兰垫苎竺苎查 第三章开关电流设计技术 上一章详细分析了电流拷贝单元开关电流电路的结构和非理想性，在此基础 上为了成功设计开关电流电路需要采用额外的电路设计技术来控制其非理想性。 3 1用反馈技术控制输出一输入电导比误差 由于不适当的输出一输入电导比，在基本单元中会出现信号传输误差。输入 电导g i 是由接成二极管的存储晶体管决定的，g * g 。；输出电导是由沟道长度调 制和电荷反馈决定的g o2 9 d s + g d “j ) + 石 嚣i 。g m 。对于由电导比产生的传 输误差g = 一2 9 。g 。，为了降低它，或者必须将g i 做大，或者必须将踟做小，而 二者都可以通过应用负反馈而达到。 3 1 1 运算放大器有源拷贝单元 如图3 1 ，运算放大器有源拷贝单 元在电流输入端a 形成“虚地”来提高 输入电导。工作原理如下：在m 1 相，电 v 流j + i 不同于上个周期存储在晶体管t 中的电流，而在输入结点上的净电流有 一个非零值。这会使运算放大器o a 的 正输入端的电压升高或降低，运放的输 出端电压也将随之升高或降低，从而将 电流传送到存储电容c g 。上，使存储管 图31 运算放大器有源拷雎单元 栅极电压上升或下降，引起存储晶体管漏极电流变化。当存储管t 的电流达到j + i 时，建立平衡。这时a 节点的电压接近v b i 。；。在m 2 相，环路断开，存储管的栅极 电压保持不变，只要输出节点的电压保持接近v b 。晶体管t 就将其电流维持在 j + i 。 加了运放o a 在存储管的栅一漏之间，其实质是将因存储不同电流要发生变 1 5 苎苎兰兰苎兰墨苎竺苎查 第三章开关电流设计技术 上一章详细分析了电流拷贝单元开关电流电路的结构和非理想性，在此基础 上为了成功设计开关电流电路需要采用额外的电路设计技术来控制其非理想性。 3 1用反馈技术控制输出一输入电导比误差 由于不适当的输出一输入电导比，在基本单元中会出现信号传输误差。输入 电导g i 是由接成二极管的存储晶体管决定的，g * g 。；输出电导是由沟道长度调 制塑虫查反照选主的，g ：三缸。譬。r i h l 81 盟王些赢最l e 圭牛的岱 + ! 三兰 至苎兰查兰塑苎查 化的栅极电压和为避免沟道长度调变效应而不要改变的漏极电压两点分隔开柬， 以漏极满足精度要求的较小的v d 。得到栅极电压较大的变化量k ；，并满足 v g 。= a 。v d 。，其中a 。是运放的电压增益。 由运放o a 在巾l 相引入的反馈将单元的低频输入电导增加到g 。，即 g zg 。a ，输出电导与基本单元的输出电导相同，因而由输出一输入电导比日i 起的传输误差8 。也降低】a ，。即使运放由一个简单的差分对组成，a 。也有1 0 0 左右，降低。误差是非常有效的。此类运算放大器有源拷贝单元多应用于低频系 统中。 3 1 2 共栅放大有源拷贝单元 如图3 2 所示，有与运放有源拷 贝单元相类似的放大结构，共栅放大有 源拷贝单元采用单管共栅放大器分隔 存储管的栅极和漏极。它与运算放大器 有源拷贝单元相比，有结构简单，容易 实现单调调整性能的优点。它采用由电 流源、共栅放大管t g 和电流沉构成的 共栅电压放大器，t g 放大管的负载是 c ，工作原理如下：在巾1 相，信号电 图3 2 共栅放大有源拷贝单元 流i 流入节点a ，使节点a 的电压( 即t 管的漏端电压) 升高a v ，经t g 共栅放 大管的作用，存储管t 的栅电压升高a 。a v 。随着c 。的电压升高，使存储晶体 管t 的漏极电流也增加。当t 中电流达到j + i 时，建立平衡。如果共栅放大器的 t g 的增益高，则电流输入节点a 上的电压接近恒值v i 。= v b i 。+ v g 。g ，其中v g 。g 为 i d s , o _ j 时的t g 的栅一源电压，并且正象运算放大器有源拷贝单元一样，该结构的 节点a 形成“虚地”。在十2 相，环路断开，c 。电压不变，并且只要输出结点保持 1 6 苎三! 兰苎兰垩兰竺苎查 出结点保持接近原a 点电压值，晶体管t 就维持其电流为j + i 。在们相由t g 引 入的反馈将单元的低频输入跨导增加到g 。，即g 。g 。a 。输出跨导与基本单 元相同，因此。降低到基本单元的1 a 。 3 1 3 共源一共栅组态电流拷贝单元 图3 3 示出共源一共栅连接的拷贝单元，对 共源一共栅组态晶体管t 。加以固定的电压偏置。 在选择工作点时，使所有晶体管都保持在饱和状 态。图3 4 示出在m 2 相时钟的单元。 假定，电流偏置结构j 是理想的。可以证明 共源一共栅组态单元的低频输出电导g 。c 为 g 。c = g 。 兰丝一( 式3 1 ) g d s 十g d s e 十gr r i c 式中，岛和g d s c 分别为栅极开路存储晶体管的输 出电导和共源一共栅组态晶体管的漏极电导； g m c 是共源一共栅组态晶体管的跨导。现在，由 于gd 5 ，助s c g 。，所以 g o c “g o 【墅q( 式3 - 2 ) g “ 因而，共源一共栅组态将输出电导大约降低到 原来的g d s c g 。，而g 。旭d s c 是共源一共栅组态 晶体管的源极接地电压增益。这并不感到意外， 因为共源一共栅组态晶体管的电压增益正是这 图3 3 共源一共栅组态存储单元 v d d 图8 4 2 相时的存储单元 样一个量，结点y 的电压变化通过它降低，落在结点x 上。同理，电流源晶体 管的共源一共栅连接将以相同的因子使其输出电导降低。这个因子大约为1 0 0 ， 共源一共栅组态拷贝单元由非零输出一输入电导比引起的传输误差大约是基本 存储单元误差的l 1 0 0 。 1 7 夸鞯 兰三兰雯苎兰兰兰兰苎查 考察在+ 1 相时钟的拷贝单元，结点y 上的输入电导为 g m 1 + 警 + g d 。 g 。( y ) = i 鱼 m g 。( 式3 3 ) 1 + 呈堕+ 堕 、。 因此，结点y 上的输入电导大约与基本单元的相同。所以这种结构的输出输入 电导比误差降低的因子是g 。g 。出于噪声和动态范围的考虑，要给共源一共 栅组态晶体管一个大的宽长比( w l ) ，以达到共源一共栅组态要求的低饱和电压。 综合上述三种反馈技术，为了设计高精 度开关电流d a 转换器，决定将共栅放大有源 拷贝单元和共源一共栅组态拷贝单元结合成 如图3 5 的结构。用图3 5 ( a ) 作参考电流源， 图3 5 ( b ) 作自校准电流拷贝单元。采用这种结 构出于以下几点考虑：首先，在电流白校准高 i 精度d a 转换器中，所有的电流单元向一个参 考电流源采样，因此这个电流源一定要很准 确，电流源与电流沉的差作参考电流能达到这 h ) l - i 图35 两种反馈技术的结合 一点；其次，因为失配产生的校准电压使得存储管的栅电压要发生变化，而漏极 电压出于输出电流稳定的考虑不希望其变化，所以用共栅放大管分隔这两点；再 次，电流开关在校准点和输出点间切换，不可避免存在差值，所以用共源一共栅 组态晶体管减小输出电导。两种结构的组合最大程度减小输出输入电导比误差， 减小因子为a g g m c 店d s c ：并且适应d a 对位电流源的小输出电导的要求。 3 2开关电流电路中的开关 在开关电流电路中，开关有两种不同的用途：作为电流控制开关和电压取样 开关。这两种任务的本质是截然不同的，因而分别讨论两种用途的开关： ( a ) 电流控制开关： 1 8 一兰三兰 茎苎兰兰苎竺苎查 电流控制开关可能导致两个问题：1 开关的接通电阻产生与信号相关的电压 降；2 开关断开时，产生瞬态电流，将噪声注入到电路。 与信号相关的电压降本身存在两个潜在的问题： 第一，若电路中采用大电流，开关电压降将限制电流的最大值，因而，若电 路处理大电流，应采用短且宽的开关。 第二，由于电流开关电阻不能忽略，必须考虑电流流过开关的压降，并且为 了输出电流的精度和平衡，切换一个位电流的两个开关要设计成同一几何尺寸， 并且保持在相同电位的结点间切换。 在本设计中，开关切换的位电流很小，所以开关电压降的影响很小。 电流控制开关还产生切换瞬态，这将改变存储在电流拷贝单元中的信号值。 切换瞬态由以下三种情况产生： 1 若个电流拷贝单元的输出开路，输出结点电位将迅速上升或下降至电 源的极限； 2 若电流拷贝单元的输出在具有不同电位的结点间切换，电流拷贝单元的 输出结点必须充电到新的电位； 3 由电流控制开关引起的电荷注入耦合到信号通路。 在上述三种情况下，切换瞬态通过电流拷贝单元存储管的漏栅电容耦合至栅 源电容，导致所存储的栅极电压的变化，因而引起取样电流的变化。 为使这些问题最小，电流拷贝单元的输出端本身决不能开路，并且其输出应 在具有相同电位的结点间切换。 ( b ) 电压取样开关 电压取样开关，是用来对所需栅极电压取样的。因而对此类开关，电荷注入 是潜在问题。为减小电荷注入，应采用可能达到的最小尺寸开关。若电荷注入过 大，应采用电荷注入减小技术。另外，电压取样开关与存储管相连的源端或漏端 的寄生二极管产生的漏电流对存储电压的精度也有影响，下文将做详细分析。 1 9 第三章开关电流设计技术 3 3电压取样开关的沟道电荷注入和漏电流 3 3 1 电荷注入与漏电流对拷贝电流的影响 由于电流拷贝单元的固有结构，m o s 管电压取样开关所造成的电荷注入发生 在校准结束时刻，所以与信号精度紧密相关，因此 注入电荷消除技术相对非常重要。开关m ：的寄生器 件d 1 还有漏电流( 如图3 6 ) 。 当开关m 2 关闭时，它的沟道电荷q c h 部分注 入到m l 的栅上，这样m 1 的c g 。上n o a 荷减少了一 个q 。h ，这个q 。h 使得m i 的v g 。瞬时减小a v g 。， 如式( 3 4 ) ， 图3 6 开关的电荷注入和漏电流 v g 。月= 粤 ( 式3 4 ) v g s 虽然m 2 关闭了，在m 2 源极和衬底之间的反偏二极管d 1 仍存在。这个二极管的 漏电流将使c g s 上的电荷连续的减少。假设在t = 0 时刻，栅电压是v g d 0 ) ，则栅电 压随时间变化的关系如式( 3 5 ) ， 腓( t ) = ( 。) 一面i l e a k t ( 式3 5 ) m ，栅电压的变化通过其跨导g t t l 转变为漏电流i d 。的变化。校准结束的时刻v g s 的 瞬降使得输出电流发生瞬降，如式( 3 6 ) ， i 峨q ：i 衙一g 。v g 。月= i 耐一g 。笋 ( 式3 6 ) m 的跨导、栅源电容分别是式( 3 7 ) 、( 3 8 ) ： g m _ 瓜= j z 鼍警i d s ( 越，) c g 。= w l c 0 x ( 式3 8 ) 由( 3 6 、f 3 7 ) 、( 3 8 ) 可得( 3 9 ) 式： 2 0 一 兰兰! ! 鲞兰兰兰竺苎查 i d s 矿1 r c r 一2 1 怛c o x ，悟争 ( 式3 9 ) d i 漏电流对i d s 的影响可以用相同的方法计算，如式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) ： i 蛐k ( t ) 2 9 s j ”k ( t ) = i m f ( o ) 一g m i i l e a k t l 。) i d s m “t ) = i 删2 1 i 阻c o x 。j 圭i 一 ( 式3 1 1 ) 得出总的i d 。电流变化公式( 3 1 2 ) 立l t l t ： i d s ( t ) = i r e f - ( 三2 1 i 恒c o x ，慨w l ) 【警+ 导”n t c _ t 0 ) - 6 其中：8 = 0 ( o t n t c t o ) 8 = 1 ( t o t n t c ( n + 1 ) t c )( n n )( 式3 1 2 1 m 1 的i d 。随时间的变化如图3 7 。现在先进 的c m o s 工艺，使u c o x 比较小。公式3 1 2 1 。 说明，在经过某个t 。后，电流拷贝单元必须再曼 上 校准一次，以保证输出电流在预定的精度范围 2 内。 可以看出，减小公式( 3 1 2 ) 减号后面的项对 n i tt o ( n + i ) t c( n + g ) t c 于使每个电流拷贝单元输出电流互等和输出 i d s图37 ( m ，) 随时间变化曲线 电流与参考电流源的相差很小这两个目标都是有好处的，也即这两个目标是一致 的。 2 l 一一兰苎!茎查兰墨堡竺苎查 3 3 2 减小电荷注入误差曲方法 分析引起拷贝单元之间的i e 。的aq 。各个电流拷贝单元的q 。的不同， 是由于开关本身失配和电流源晶体管m ，的跨导不同产生的。开关失配取决于开关 尺寸，取开关尺寸最小，可以使q 。n 总量变小，再尽可能消除q 。对栅的注入，那么 就可以把开关的失配对于位电流的互等的影响减到最小。同时最小尺寸的开关也 可以使i 。小。 ( 1 ) 考虑如何减小m ，的跨导。如图3 8 加 了一个并行的电流源晶体管，i 。上流过i 。f 的 9 0 ，这样m l 上的电流减小到原来的l 1 0 ，跨 导减d , 至t l 原来的1 ( 1 0 ) “，m ，的尺寸按减小的 k 优化，w 减小，l 增大，使得跨导更小而 m 1 的c 。保持不变。 ( 2 ) 在某些高精度应用中，尽管m ，的跨导 因主电流源的分流已经很小，但引起的误差仍不 可忽视。有文献1 3 1 采用如图3 9 的源跟随级( m n 和q 。) ，其增益如式( 3 1 3 ) ： g m i a v ：厶粤。丝 1 ( 式3 1 3 ) 1 + g m m l g m , l o a d g m 1 0 a d 利用其a v = y 4 0 ( 1 的性质，使开关沟道 图3 9 源跟随级减小沟道电荷注入 注入的电荷经过源跟随级这一级“缩小器”减弱，从而使m l 栅电压受注入电荷影 响极小。但是实验模拟发现，当设置失配故障时，单元不能从电流源采到精确的 参考电流。这是因为失配单元的存储管的栅电压需要的变化量也被源跟随级衰减 而不起作用，失去校准的意义。 第三章开关电流设计技术 ( 3 ) 采用补偿取样开关的做法如图3 1 0 ( a ) 改进版图如图3 1 0 ( b ) 。当母为 “1 ”，m 2 形成沟道导通，m 3 管在面的控制下不产生沟道，但其源漏之间有铝线 连接，因此也导通；当中为“0 ”，m 2 打开而m 3 要形成反型沟道，则m 2 的沟道电 荷被拦截在m 3 的沟道中。有具体的版图提取参数支持的后仿真，相信能很好的证 明这种方法能有效地减小开关沟道电荷对栅源电容的注入。 击中 盘属 口