（通信与信息系统专业论文）基于开关电流技术的∑△调制器设计与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文依据基本的开关电流单元电路中时钟馈通误差的产生机理和数学模型，提出了 一种时钟馈通的主体误差抵消方案，该方案在实现时结构简单，无需复杂时钟系统的参 与。分析表明：相同工艺条件下，由新方案构成的开关电流存储单元的误差电流得到明 显的减小。基于上述开关电流存储单元，本文提出了一种新型开关电s i g m a - d e l t a 调制 器的结构。本文详细分析了它的系统传输函数和噪声能量，对调制器中的基本组成电路 进行了优化设计。结果表明：在3 3 v 电源电压、5 1 2 k h z 采样频率、1 2 8 倍过采样率下， 可得到5 2 7 d b 的信噪比以及5 1 d b 的动态范围，调制器达到9 位的精度。 关键词：过采样，开关电流，一调制器 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n dt h em a t hm o d e lo ft h ec l o c kf e e dt h r o u g ho ft h e b a s i cs ic e l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wc l o c k - f e e dt h r o u g hc o m p e n s a t i o ns c h e m et h a t n e e d sas i m p l ec i r c u i ta r c h i t e c t u r ea n ds i m p l ec l o c ks y s t e m w i t ht h es a m et r a n s i s t o r d i m e n s i o n sa n dp r o c e s sc o n d i t i o n ，s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ee r r o rc u r r e n to ft h e p r o p o s e ds w i t c h e d c u r r e n tm e m o r yc e l li sl e s st h a nt h a to ft h eb a s i cs w i t c h e d c u r r e n t m e m o r yc e l l b a s e do nt h eh i g h - p e r f o r m a n c es im e m o r yc e l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf u l l d i f f e r e n t i a ls e c o n d o r d e rs w i t c h e d - c u r r e n ts i g m a - d e l t am o d u l a t o r t h i sp a p e ra n a l y z e s t h es y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o na n dn o i s ee n e r g yi nd e t a i l o p t i m u md e s i g n so ff u n d a m e n t a l c i r c u i t so ft h em o d u l a t o ra r ea l s oc a r r i e do u t t h e nt h es w i t c h e d - c u r r e n ts i g m a d e l t a m o d u l a t o rs y s t e mi s d e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h em e a s u r e m e n ti n d i c a t e st h a t t h e r e s o l u t i o no ft h em o d u l a t o ri s9 b i t ，s n ri s5 2 7 d b ，d ri s51d ba n dw h e nt h ep o w e r s u p p l yi s as i n g l e3 3 v ，t h ec l o c kf r e q u e n c yi s512 k h za n dt h eo v e r s a m p l i n gr a t i oi s 】2 8 。 x uy a n f e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f k a n gy i k e y w o r d s ：o v e r s a m p l i n g ，s w i t c h e d - c u r r e n t ，s i g m a - d e l t am o d u l a t o r 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文依据基本的开关电流单元电路中时钟馈通误差的产生机理和数学模型，提出了 一种时钟馈通的主体误差抵消方案，该方案在实现时结构简单，无需复杂时钟系统的参 与。分析表明：相同工艺条件下，由新方案构成的开关电流存储单元的误差电流得到明 显的减小。基于上述开关电流存储单元，本文提出了一种新型开关电s i g m a - d e l t a 调制 器的结构。本文详细分析了它的系统传输函数和噪声能量，对调制器中的基本组成电路 进行了优化设计。结果表明：在3 3 v 电源电压、5 1 2 k h z 采样频率、1 2 8 倍过采样率下， 可得到5 2 7 d b 的信噪比以及5 1 d b 的动态范围，调制器达到9 位的精度。 关键词：过采样，开关电流，一调制器 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n dt h em a t hm o d e lo ft h ec l o c kf e e dt h r o u g ho ft h e b a s i cs ic e l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wc l o c k - f e e dt h r o u g hc o m p e n s a t i o ns c h e m et h a t n e e d sas i m p l ec i r c u i ta r c h i t e c t u r ea n ds i m p l ec l o c ks y s t e m w i t ht h es a m et r a n s i s t o r d i m e n s i o n sa n dp r o c e s sc o n d i t i o n ，s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ee r r o rc u r r e n to ft h e p r o p o s e ds w i t c h e d c u r r e n tm e m o r yc e l li sl e s st h a nt h a to ft h eb a s i cs w i t c h e d c u r r e n t m e m o r yc e l l b a s e do nt h eh i g h - p e r f o r m a n c es im e m o r yc e l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf u l l d i f f e r e n t i a ls e c o n d o r d e rs w i t c h e d - c u r r e n ts i g m a - d e l t am o d u l a t o r t h i sp a p e ra n a l y z e s t h es y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o na n dn o i s ee n e r g yi nd e t a i l o p t i m u md e s i g n so ff u n d a m e n t a l c i r c u i t so ft h em o d u l a t o ra r ea l s oc a r r i e do u t t h e nt h es w i t c h e d - c u r r e n ts i g m a d e l t a m o d u l a t o rs y s t e mi s d e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h em e a s u r e m e n ti n d i c a t e st h a t t h e r e s o l u t i o no ft h em o d u l a t o ri s9 b i t ，s n ri s5 2 7 d b ，d ri s51d ba n dw h e nt h ep o w e r s u p p l yi s as i n g l e3 3 v ，t h ec l o c kf r e q u e n c yi s512 k h za n dt h eo v e r s a m p l i n gr a t i oi s 】2 8 。 x uy a n f e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f k a n gy i k e y w o r d s ：o v e r s a m p l i n g ，s w i t c h e d - c u r r e n t ，s i g m a - d e l t am o d u l a t o r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于开关电流技术的一调制 器设计与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 丝毫肇 日期：幽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：继 日期：墅鳢圣星 导师签名： j ， 凉l 9 皂 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 开关电流技术的历史背景 2 0 世纪8 0 年代后，计算机技术、信号处理技术、多媒体技术、现代通讯技术等 现代化信息技术的迅猛发展对集成电路提出了更高的要求，高集成度、高速、低电 压、低功耗、高性价比和片上系统等成为当今集成电路发展的主流方向。由于数字 集成电路具有可编程性、灵活性、短设计周期以及对噪声和制造工艺公差的抗干扰 性等优点，在现代的集成电路系统中，许多模拟信号处理已经能利用复杂的数字信 号处理( d s p ) 电路来实现。因此，对于模拟信号与数字信号之间的转换来说，模 拟信号调节和数据转换电路还是必不可少的。 开关电流( s i ) 技术是2 0 世纪8 0 年代末提出的一门完全采用数字c m o s 工艺技 术的模拟取样数据信号处理技术【1 1 ，它利用m o s 晶体管在其栅极开路时通过存储在 栅极氧化电容上的电荷维持其漏极电流的能力。开关电流技术不需要线性电容和高 性能的运算放大器，可与标准数字c m o s 工艺兼容，而且，它还具有低电压、高速、 宽带、面积小等优点，自问世以来就引起了国内外相关学者的高度关注，并得到了 较快发展。开关电流技术是继开关电容技术之后的一种新的模拟取样数据信号处理 技术，同时也是数字模拟混合集成v l s i 实现的一个重要发展方向。 1 2 开关电流电路概述 开关电流技术是以电流取样表示信号的模拟取样数据信号处理技术。开关电流 电路由受时钟控制的m o s 开关和m o s 晶体管构成，利用m o s 晶体管在其栅极开 路时，通过存储在栅极氧化电容上的电荷维持其漏极电流的能力【羽。我们知道，对 于工作在饱和区的m o s 晶体管，有如下关系式【3 】， l ；竿了w ( 一屹) z 0 + ) o ( 一) 墨 ( 卜1 ) 或 ，d ；竺拿了w 一吩) z o ( 一) s ( 卜2 ) 二厶 其中，式( 卜2 ) 是不考虑沟道长度调制效应下的关系式。 从式( 卜2 ) 中可以看出，m o s 晶体管的漏电流仅仅由栅源电压决定，而m o s 晶体管具有栅极存储能力，即通过存储在栅极氧化层电容上的电荷维持其漏极电流 的能力，上述特性正是开关电流技术的基本出发点。开关电流电路最基本的标准部 件是电流存储单元，图l 所示为开关电流电路的两种基本存储单元，其中图卜l ( a ) 和图1 一l ( b ) 分别为第一代和第二代电流存储单元的电路结构、时钟波形示意图。 华北电力大学硕十学位论文 ( a ) 第一代存储单元 专r ( b ) 第二代存储单元 图1 - 1 ( a ) 第一代存储单元( b ) 第二代存储单元 第一代存储单元是一个带有开关控制的电流镜，如图1 - 1 ( a ) 所示。时钟为 高电平时，开关s 闭合，圪d = 眨。，电路变成了一个电流镜，输出电流跟踪输入电 流。当时钟痧变为低电平时，假设开关s 在t = t o 关断，栅电容c ，则保持栅源电压 ，o 。) ，输出电流乞，也保持为乙，( t o ) 。图卜1 ( a ) 所示单元中电流镜存在m 。与m ， 的匹配误差，图l - 1 ( b ) 所示第二代存储单元采用单个晶体管m 。实现电流存储， 可以消除匹配误差。在识相，开关s 、s ，闭合，m 。连成二极管，输入电流屯与偏置 电流j 之和给栅源间电容c 充电，随着充电进行，栅源电压升高，当c 完全充电后，m 。 的漏极电流为。+ j ，达到稳态。在办相，开关s 关断，以相结束时的。保持在电 容c 上，并且维持m 。的漏极电流t 。+ ，由于输入开关s 已断开，输出丌关闭合， 偏置电流j 和漏极电流f ，。+ j 之间不平衡，迫使输出电流f 。，在整个欢相期间等于屯。 1 3 开关电流技术的研究现状 1 3 1 国际上开关电流技术的研究现状 2 华北电力大学硕士学位论文 在近2 0 年的发展过程中，开关电流电路先后出现了两代电路模块。1 9 8 9 年，由 j b h u g h e s 等人提出了第一代开关电流电路【l j ，它用简单的电流镜作为其存储单元， 容许由晶体管失配产生的必然误差，虽然只适用低q 值滤波器，但仍然确立了至今 还在采用的开关电流技术及电路结构。为克服第一代开关电流电路中存在的缺点， 1 9 9 0 年j b h u g h e s 等人又提出了第二代开关电流电路【2 1 ，它引入了电流拷贝器。电流 拷贝器是用一个m o s 管实现电流的拷贝，它消除了两个m o s 管尺寸的失配误差。由 于工作上的新原理，实现中的新矛盾，开关电流技术至今仍处在发展之中。 开关电流技术自2 0 世纪8 0 年代末问世以来，一方面因为它固有的优势而引起重 视，受到很多研究人员的青睐，另一方面也因为它存在一些弱势，而迟迟没有被广 泛应用，很多技术问题还处于探索和改进中，综观这十几年的发展，开关电流技术 主要呈现出以下几个研究领域。 1 3 1 1 基本开关电流存储单元性能的改进 由于开关电流电路具有失配误差、电荷注入误差( 时钟馈通误差) 、输出一输 入电导比误差、调整误差、噪声误差等不理想性能，导致开关电流电路的应用受到 很大的限制，因此，如何改善基本开关电流电路存储单元的非理想性能就成为开关 电流技术研究领域中的一个重要课题。时钟馈通问题是影响开关电流电路性能的最 主要因素，近十年来，国际上的研究已出现了很多减少时钟馈通误差的技术方案， 它们包括算法存储单元【4 1 、5 2 ，存储单元【5 7 】、零电压开关技术【引、密勒电容补偿技 术1 9 - 1 1 1 、误差反馈技术【1 2 】以及利用虚假补偿电路【1 3 。1 7 】等，关于时钟馈通误差的减少 方案我们将会在后文中做详细的讨论。其次，关于改善失配误差的影响也出现了少 量的报道，如文献【1 8 。1 9 1 ，它们通过变化传输函数的表达形式来减少电流镜的数量， 进而降低了失配误差的影响。另外，诸如改善输出一输入电导比误差【2 0 埘】、降低谐 波失真【2 2 1 、低电压开关电流技术【2 3 。2 4 】等方面的研究也被人们所关注，其中文献 2 4 中电流存储单元的电源电压仅为1 2 v 。 1 3 1 2 开关电流系统的开发 开关电流技术主要应用于采样数据处理系统和数据转换系统中，如采样数据滤 波器、过采样d 转换器等。 ( 1 ) 开关电流滤波器 由于丌关电流技术不需要线性电容，可以适用于低电压，而且很容易模块化， 所以开发低电压、高性能、可编程、可综合的开关电流滤波器始终是开关电流技术 应用的一个重要领域，自适应滤波器在通信系统中得到了广泛的应用。 ( 2 ) 开关电流数据转换器 数据转换器是开关电流技术在模拟取样数据信号处理系统中又一个重要的应 3 华北电力大学硕士学位论文 用领域。目前，在v l s i 系统中实现模数转换器有两种方法，其中一种方法是取样频 率明显快于奈奎斯特，然后采用数字信号处理完成转换，通常称之为过采样技术。 一方法采用过采样原理，实现噪声频谱搬移，获得有用信号的很高信噪比， 由此构成的转换器具有高精度、高线性以及制作中便于和数字系统集成的特点。开 关电流一转换器集成了开关电流和一方法两种技术的优点，是片上系统实现 模数接口的一种重要方法。开关电流一调制器是开关电流一转换器的核心部 件，它最早出现于1 9 9 1 年【2 5 1 ，随后得到了很大的发展，出现了相当数量的研究成果， 低电压、高采样率以及更高分辨率是开关电流一转换器发展的主流趋势，虽然 开关电流技术与开关电容技术相比，转换器的精度仍然是其推广应用的一大阻碍， 但是从面积、功耗、速度、成本以及电源电压等诸多方面综合考虑，开关电流一 转换器仍然有着广阔的应用前景。 ( 3 ) 其他应用 除上述两大领域外，开关电流技术在模拟乘法器【2 6 掰1 、d a 转换器【2 8 】、人工神 经网络芯片【2 9 l 等系统中也得到了应用。此外，混合电路是当今i c 设计领域中的热门 课题，让我们感到欣喜的是开关电流技术已经在此领域中崭露头角，文献【3 0 】中就 报道了一种应用开关电流技术设计的低成本、低电压、音频混合信号电路，其中滤 波器和自适应调制器都是采用开关电流技术实现的。 随着工艺水平的提高，m o s 管的开关速度将进一步提高，在开关电流电路中引 入双极型期间( b i c m o s 工艺) 作为开关管，就可以缓解m o s 管开关速度的问题， 从而使开关电流电路的速度和带宽有大大的提高，另外，对于非常高的频率应用， 用g a a sm e s f e t 工艺实现提出的开关电流电路也是非常有前景的。我们相信，随着 开关电流技术的不断改进，开关电流系统的开发范围将越来越广泛。 1 3 2 国内开关电流技术的研究现状 虽然国际上开关电流技术从提出课题到开展研究已经十几年了，但是在国内， 对它的研究还很少。1 9 9 7 年，高等教育出版社出版了一本翻译了国外开关电流技术 的专著【2 1 ，增加了国内相关人员对开关电流技术的了解。据文献调研，迄今为止， 国内从事开关电流技术研究的人员还较少，文献【3 1 】报道了利用s 2 ，电流存储单元设 计一种1 2 位开关电流型一调制器；文献f 3 2 1 报道了利用时钟馈通补偿方式的丌关 电流存储单元设计一种1 0 位全差分开关电流型一调制器。然而，文献数量很少。 这一方面是由于对开关电流了解的人仍较少，而更重要的是丌关电流有别于现有常 用的电压模式电路，不深入分析不易对它理解，更谈不上进行研究。随着集成制作 技术进一步小尺寸低电压化，数码混合的s o c 的全面发展，开关电流技术的优势会 得到充分体现，随之将会得到较大发展。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作及内容安排 本论文的主要工作是针对已有基本开关电流电路中的非理想问题展开研究，设 计了一种新型的开关电流基本单元电路，并在此基础上构造出了新型的开关电流型 s i g m a - d e l t a 调制器，通过h s p i c e 模拟仿真软件测试其子电路性能，最后我们通过 m a t l a b 仿真测试其整体性能。最后，对本文研究的内容进行归纳和总结，并提出一 些不足，并作出展望。 本论文内容安排如下： 第一章，叙述开关电流技术应用的背景，简单介绍了开关电流技术的基本电流 存储单元，最后在对开关电流技术的研究现状总结的基础上，阐述开展本课题的意 义。 第二章，详细讨论开关电流技术的非理想性能。 第三章，从基本电流存储单元电路结构出发，分析其速度、精度等关键性能不 够理想的成因，分析并总结改进方案。 第四章，介绍了开关电流s i g m a d e l t a 调制器的基本原理及结构组成，提出本文 采用的调制器结构。 第五章，采用t s m c0 3 5 u m 标准数字c m o s i 艺，对开关电流s i g m a d e l t a 调制 器的组成部件，如开关电流基本单元、一位量化器( 比较器) 、一位d a 转换器、 开关、时钟产生电路等进行性能研究和优化设计。利用h s p i c e 和m a t l a b 等e d a - 1 - 具 软件对开关电流s i g m a d e l t a 调制器整体电路进行仿真模拟研究，验证本文所提出的 调制器的功能。 最后是本论文的结论部分，对整个论文工作进行系统的总结，并对下一步开展 工作提出自己的看法。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章开关电流电路基本单元及其非理想性能 开关电流技术具有高速、适用于低电压以及与数字c m o s - v 艺兼容等优势，然 而，现有基本开关电流电路存在着一定的非理想性能，比如失配误差、输出输入电 导比误差、电荷注入误差、调整误差、噪声误差等，这主要是由于m o s 晶体管的不 完善性导致与它的信号处理模型的算法特征所描述的理想性能有偏差造成的，本章 将对开关电流技术中的非理想性能进行详细的分析和讨论，并且根据本章知识在下 一章介绍一些相应的改进和补偿措施。 2 2 开关电流基本单元非理想性能分析 2 2 1 失配误差 失配误差是由存储单元晶体管直流特性中小而不可避免的差异所产生的。在开 关电流系统中，电流镜是利用率最高的一种电路结构，电流镜的失配误差将会导致 系统的非理想工作状态，因此，匹配性能是开关电流技术中最基本的一个指标。其 失配误差可通过分析m o s 晶体管的特性来获得。对于工作在饱和区的m o s 晶体管， 有如下关系式： i 。u c l o x 了w ( 一昨) z ( 1 + a ) ；譬了w ( 一k ) z ( 1 + a ) ( 2 一1 ) 图2 1n 沟道电流镜 其中，是电荷迁移率，是栅氧化区单位面积电容，w 和l 分别是晶体管的 宽和长，k 是开启电压，a 是沟道长度调制系数，卢是跨导参数。图2 1 示出一个简 单的n 沟道电流镜，由于式( 2 一1 ) 中参数的局部微小变化，将会导致输入电流和镜像 输出电流之f b j 产生电流误差i ，我们可以得到这些参数变化与电流的关系式为： 6 华北电力大学硕士学位论文 i ；望一型坚+ 兰鳖+ l + 型 ( 2 2 ) = 岫+ 一- - 一 一， i 卢一k 一土+ ak 。+ 1 1 ，d s 一 九 等丝c o x + 薹一器+ 差+ 兰+ 惫 3 ， 里一一。上+ a y + ! 。 l 一a 由于晶体管m 。与m 。有相同的尺寸，因此电荷迁移率的误差较小，且m 。与m 。 的长度相同，所以通道调变效厘也较小，故我们可将上式简化成： 堕；a c o x4 - 荨一二盟+ 坐鳖卜氅 ( 2 - 4 ) ， 丝一k 一y + ! 、一。 l。a 上式中，前面三项是由制程所决定的，后面两项与l a y o u t 布局相关。第一项是 由于氧化层厚度误差所造成的，第二项有元件尺寸误差造成的，而第三项是因为临 界电压( k ) s p r e a d 造成的，当操作在较低的电压时，临界电压峰的s p r e a d 是主导 不匹配误差的关键，因为一咋非常小。值得注意的一点是这些不确定的误差本质 上为随机的，所以造成的影响并不能互相抵消( 虽然第三项是负号) 。 在实际的l a y o u t 中，晶体管m 。与m ，的由于寄生电阻的关系而变成不相同， 主要是晶体管m 。与m 。源极端的l a y o u t 线布局不当所产生的寄生电阻效应，因而造 成。的误差，此误差的影响是非常严重的，尤其降低操作电压时更明显，因此若 没有谨慎的布局配置及l a y o u t ，模拟电路的匹配是很差的。 然而，k 。的误差可分为源极点位与漏极点位的误差，源极点位误差是因为寄 生电阻的关系，漏极点位误差是因为负载阻抗的关系，当我们为了增快速度而降低 m o s 长度时，导致通道长度调制因子a 变大，使得匹配问题更严重，此时可用级联 ( c a s c o d i n g ) 结构来改善【3 3 1 。 从式( 2 4 ) 中可以看出，有几个因素使得电流镜不符合理想工作状态，它们是： 晶体管几何尺寸不完全匹配；两个晶体管域值间的偏差；栅源电压的不同；沟道长 度调制效应。 2 2 2 输出一输入电导比误差 在基本丌关电流存储单元的取样相，存储晶体管的漏极电压与其栅极电压相 等，在保持相，当单元将输出电流提供给单元负载时，漏极电压可能变化，在两种 状态间，漏极电压的这种差值将对电流镜误差产生一些附加的重要影响。第一个影 响是由沟道长度调制效应引起的，相应的用工作在饱和区的m o s 晶体管的小信号沟 道电导表示： 7 华北电力大学硕士学位论文 鼠2 薏以匕 ( 2 _ 5 ) 第二个影响是由漏一栅电容c 鲥引起的，当存储晶体管的栅极保持开路时，漏极 电压的变化使得电荷通过c 鲥流入存储电容c ，这就干扰了保存在c _ k f 拘栅源电压， 并产生漏极电流误差。这两个效应共同产生一个由漏极电压变化6 屹引起的电流误 差6 i t s ， 6 气_ 6 ( g 出+ 瓦t - , t 2 g m ) 2 6 如图2 - 2 所示的级联存储单元，在输入相，m 。的漏电流为i d 。o 一1 ) 一j + 屯o 一1 ) 在输出相，栅漏短接的m ：作为输出负载决定m ，的漏断电压，对于小信号有 k 粥。( 以) ：k 嚣：( ，1 ) 幽。- i 加( n - 1 ) ( 2 7 ) g m 2g m 2 因此，输出电流为： ，0 ) = j 一厶。q - 1 ) - g 。a ，o ) = 一( 1 一鱼吐) 0 q - 1 ) ( 2 8 ) g m 2 舯，g 以= g 跚+ 意 从式( 2 - 8 ) 可以看出，有限的输出输入电导比将减小输出电流，为了尽可能的 减小电流传输误差，可以增大输入电导或者减小输出电导。 2 2 3 电荷注入误差 图2 2 级联开关电流基本存储单元 电荷注入误差也称时钟馈通误差，它是开关电流电路非理想性能中最关键的一 个因素。开关电流存储单元中，在电流取样相，开关s 闭合，栅源电容充电到足以 支持漏极输入电流的电压，在保持相，开关s 打丌，理想情况下，栅源电压应该保 持在取样相期间建立的电压值上，结果使输出电流与取样输入电流完全匹配。实际 8 华北电力大学硕士学位论文 上，开关是m o s 晶体管，在开关断开的过程中，开关管的工作状态从线性区向截止 区过渡，由于寄生栅电容的存在，一些电荷会通过寄生电容注入到栅电容上，从而 在存储晶体管的栅上产生一个误差电压，另外，当开关管从导通变为截止时，丌关 晶体管在导通状态下建立的电荷必须完全耗尽，这个电荷的一部分也会流到存储晶 体管的栅电容上，从而产生另一个误差电压，上述两种误差电压必将引起输出电流 产生一定的误差，这就是所谓的电荷注入误差问题开关电流电路中，产生时钟馈通 误差的两个主要因素是沟道电荷再分配误差和重叠电容误差，如图2 3 和图2 4 所 示。 ( 1 ) 沟道电荷再分配误差 图2 3 显示了在晶体管m ，栅极上的沟道电荷再分配情况。当开关闭合，开关的 沟道电荷q c 可以表示为： q c = c k 以( 一p k ) ( 2 9 ) 为栅极氧化层单位面积电容量，以是开关晶体管s 的面积，是时钟为高 时的电压幅度。 c ic 2 图2 - 3 沟道电荷再分配 当时钟信号由高到低，开关s 沟道电荷中的一部分流入镜像晶体管m ，栅极电 容，也就是说，开关的沟道电荷在晶体管在晶体管m ，和m ：的栅极电容中重新分配。 当晶体管m ，工作在饱和区，由于沟道电荷重分配而增加的栅极电压可以表示为： y 9 2 , c h 屹z c 洲，一k z c 味。阡，= 虿导专戋= 吾虿导专鲁c 一，( 2 - 1 0 ) 4 是镜像晶体管m ：的面积，c 】是m 。的栅极电容，c ：是m ：的栅极电容【1 5 l 。 ( 2 ) 重叠电容误差 图2 4 显示重叠电容和晶体管m ，的栅极电容1 3 4 1 。当开关闭合，m ，栅极中所有 的电荷可以表示为： q = ( 屹2 一) c 1 + ( k 2 一v o ) c 2 + k z c s z ( 2 - 1 1 ) k ：是m ：的栅极电压，是m ：的输出电压，c l 和c ：是每个晶体管的重叠电容。 华北电力大学硕十学位论文 图2 - 4 重叠电容 假设m ，的漏极电压没有改变，没有电荷注入到栅极。当开关s 打开，m ，的栅 极电压变化屹：，。可以表示为： w 9 2 , o ，。k z ( m - ，叫) 一匕z ( m t ，o f f ) 2 雨t 瓦, 1 v h 瓦 2 - 1 2 从这个等式我们可以看出屹：，。主要受到开关s 栅极电压摆幅的影响【1 4 】。因此， 在晶体管m ，栅极上的时钟馈通效应是这两个误差的总和，表示如下： 匕：她匕z 地幽2 畿+ 吾薏每一，( 2 - 1 3 ) 从文献 1 4 1 我们知道由于沟道电荷再分配而引起的误差电压比由于重叠电容引 起的误差更严重。如果开关晶体管的尺寸比镜像晶体管的尺寸大得多，时钟馈通误 差就会变大到大约等于龟源电压，上述即是电荷注入误差产生的基本原理，这个误 差是影响开关电流电路性能的主要因素。 2 2 4 调整误差 开关电流存储单元的工作包括将接成二极管的输入晶体管的栅极电容充到适 当的栅源电压，如果在开关s 闭合的时间间隔内，这种充电还未结束，则产生剩余 误差电压，在闭合时间间隔结束时，开关s 打开，误差电压被存储，并且产生存储 单元输出电流误差。图2 - 5 所示为第一代开关电流存储单元在取样相的电路图和它 的简化小信号模型，其中忽略了开关晶体管的导通电阻。 了= 图2 - 5 取样相的第一代开关电流存储单元及简化小信号模型 1 0 华北电力大学硕士学位论文 根据小信号模型可以得出存储单元的传输函数为： 聃豁2 壶 ( 2 1 4 ) 其中是极点角频率，t o o = 鲁，是晶体管m 。的跨导，c 是输入节点的总电 容。如果在时域内表示，那么 一三 乙，o ) = ( 1 - e7 ) 。i 如o ) ( 2 1 5 ) 其中时间常数f = ，对于单个晶体管有如下关系式， g 。 巳= 2 3 l w 舻2 k 警厶 ( 2 _ 1 6 ) 从式( 2 一1 5 ) 可以看出，开关电流电路的建立时间取决于由输入节点电容和跨导 的比值决定的时间常数，例如为了达n o 1 的调整精度，建立时间就必须是时间常 数t 的7 倍。为了满足不同设计指标的需要，必须平衡考虑各个设计参数，表2 - 1 总结 了各个设计参数对电路性能的影响。 表2 1 设计参数对电路性能的影响 设计参数变化趋势优势劣势 电荷注入误差减少 增加栅- 源e g g c 萨 调制时间增加 器件失配误差减少 增加晶体管长度l沟道长度调制效应减弱跨导减少，速度降低 减小晶体管宽长比w l栅极寄生电容缩小 跨导减小 增加偏置电流j跨导加大，提高了速度功耗增加 2 2 5 噪声误差 开关电流电路中，m o s 晶体管有两种噪声起主要作用：存储单元m o s 管中的 热噪声和闪烁噪声。热噪声是由于载流子不规则的热运动通过半导体管内的体电阻 时产生的。闪烁噪声的起因现在还不十分清楚，但被设想为载流子在晶体表面的产 生和复合所引起的，因此与半导体材料本身及工艺水平有关，这种噪声与频率成反 比，所以也称为1 f 噪声。存储晶体管产生的热噪声和1 f 噪声会引起存储单元的电 1 1 华北电力大学硕士学何论文 流误差，即噪声误差。噪声是m o s 晶体管工作所固有的，开关电路和连续时间电 路主要区别之一是开关工作引起高频噪声的混叠，这使开关电路的带内噪声电平较 高，分析更复杂。 噪声源出现在存储晶体管、开关和偏置电流源中。如图2 6 所示，开关s 是一 只m o s 晶体管，当导通时，工作在线性区。它不负载直流电流，因而不产生闪烁 噪声。它具有电阻和相关联的热噪声电压源吩。存储晶体管t 工作在饱和区， 具有闪烁噪声吩( 一) 和热噪声似) 。偏置电流源j 工作在饱和区，具有闪烁噪声吩( 一) 和 白噪声) 。 2 3 本章小结 ：v 开关s ； 图2 6 具有噪声源的基本开关电流存储单元 在开关电流电路中，晶体管的失配、非零输出电导、电荷注入、有限带宽和噪 声等都会产生非理想性能，本章对这些非理想性能的起因和特性作了详细的介绍和 分析，这是开关电流电路的理论基础。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章开关电流基本单元的设计与改进 上一章已经对开关电流存储单元进行了详细的分析，本章将继续讨论开关电流 存储单元中存在的各种误差问题，介绍了一些减少误差的技术方案。 3 2 开关电流基本单元的时钟馈通误差分析 第二章对开关电流电路时钟馈通误差的产生机理进行了详细的分析，得出了存 储晶体管栅电容上总的时钟馈通误差电压为： 肾”= 普+ 三鲁以吲 净) 1 a ：f 图3 1 第一代开关电流基本存储单元 图3 一l 所示为第一代开关电流基本存储单元，其中为了完成电流放大的作用， 取m 。和m 。两个晶体管的长度相等，宽度比值为l ：a 。对于第一代开关电流基本存 储单元，忽略m 。和m 。的匹配误差，那么 i o = 哌。一) 2 = ，+ t 。 ，；筇啦。一+ k 。) 2 = a j - i o “ 合并上述两个式子，就可以解出 f o 广一口纯+ 2 k 。拓i 两了+ k 。2 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 在电路设计中，取峭= a w o ，厶= l 。，那么就有4 = 峨，c g 。= a c g 。约定屹为 1 3 华北电力大学硕士学位论文 a - 1 时的时钟馈通误差电压，根据式( 3 - 1 ) ，m 栅级的时钟馈通误差电压昨，就可 以换算为k 肠。所以，式( 3 - 4 ) 就可以简化为：1 i 乞埘= 一口( + 彤( ，+ ) 口+ k2 口2 ) ；一0 。+ 2 k ( ，+ ) + 三p k 2 ) ( 3 5 ) “ 从式( 3 - 5 ) 可以看出，误差电流包括常数项和信号关联项两部分。图3 - 2 示出 了t s m c0 3 5 u m 标准c m o s 工艺条件下开关电流基本存储单元的h s p i c e 仿真结果， 其中- w o = 1 2 u m ，厶= l o = 3 u m ，a = 1 ，w s = 1 6 u m ，l s = 0 8 u m ，偏置电流源j = 1 0 0 u a ， 输入为1 0 k h z5 0 u a 的正弦电流信号，时钟频率为5 0 0 k h z 。 - _ i - “k c - 暗矾- r r u i7 1 矗矗。0 i ) f i l l 矗) 矗i 拭 t “a i ) 图3 - 2 开关电流基本存储单元时钟馈通误差仿真结果 从图3 - 2 中可以明显看出，在保持阶段，输出电流没有保持住采样阶段的电流 值，而是产生了大约1 5 u a 的电流误差，这个电流误差主要就是由于存储晶体管栅电 容上的时钟馈通误差电压引起的。 针对式( 3 - 1 ) 所示的时钟馈通误差产生的机理，可以有很多种补偿方案，这些 方案大致可以分为两类，一类是从基本开关电流存储单元入手，改变器件尺寸从而 改善其性能，另一类是从改善电路结构入手，通过引入新的电路结构，使时钟馈通 误差得以改善。 3 3 开关电流基本单元时钟馈通误差补偿方案 时钟馈通误差是开关电流电路非理想性能中最重要的一个问题，研究开关电流 基本单元时钟馈通改进方案，我们可以发现他们当中的大多数采用电流补偿技术。 电流补偿技术采用电流复制方法来减少误差电流。三个具有典型代表性的改进电路 描述如下。 ( 1 ) 与输入信号无关的减少时钟馈通误差电路 在丌关电流电路中减少时钟馈通误差的一种技术是由y a n g f i e z a l l s t o t 提出的 1 4 华北电力大学硕十学位论文 p 引，具体电路见图。在时钟电平西，为高时，电流j ，等于电流l ，并且通过电流镜电 流，：等于电流，。电流，形成晶体管m ：的偏置电流。当，为低时，电流l 由于时钟 馈通效应变成，+ 。因此，通过电流镜，电流，也变为，1 + 。误差电流可以 补偿晶体管由时钟馈通效应引起的m ，的误差电流。这种技术只减少了与信号不相 关的时钟馈通误差电流。如果与信号相关的时钟馈通误差电流变大，输出电流也会 受到明显的影响。 一 图3 - 3 使用镜像技术减少时钟馈通误差电路 ( 2 ) 与输入信号有关的减少时钟馈通误差电路 第二个电路【3 4 】如图3 4 ，这个电路减少了与信号相关的时钟馈通效应误差。图 中宽度等于2 w 2 。当开关关断的时候，晶体管m 。的栅极电压变化是晶体管m ： 的栅极电压变化哆的一半，就是，k = k 2 。因此，电流，：、l 表示为： ，2 = p 以。一- a v ：) 2 ，3 = 2 卢【屹。一- ( a v j 2 ) 2 p 是增益因子。输出电流，可以表示为： i o u t l + t 一，3 = 一+ 三肚呼 图3 - 4 使用电流源镜像技术的减少时钟馈通误差电路 1 5 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 华北电力火学硕士学位论文 ( 3 ) d u m m y 管 d u m m y 管被添加在开关管m ，上，这个技术的精度取决于时钟相位，是很难控 制的。根据文献【3 6 】，人们很清楚的认识到，由于电路的输入信号，这个技术并不 能完全对开关电流电路成功。 芎 图3 - 5 加入d u m m y 管的开关电流基本单元 3 4m o s 开关的设计 模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号的通断。一个理想 的模拟开关，应接通时呈短路状态( 即接通时电阻为零) ，关断时呈开路状态( u p 关断 时电阻为无穷大) 。开关的工作速度要快，各开关间的隔离度要好。用m o s 管构成的 模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大的一系列优点，因而获 得广泛的应用。 在开关设计中，满足线性化是很重要的。图3 6 给出了n m o s ，p m o s ，c m o s 开关的导通电阻与输入电压的关系，从中可以看出c m o s 的导通电阻最小，性能最 优良。 图3 - 7 示出了c m o s 开关，当时钟西为低电平时，两个m o s 管均关闭，电路开路； 当时钟西为高电平时，两个m o s 管均导通，电路是低阻抗状态。开关中p 沟道和n 沟 道晶体管的衬底分别接电路中的最高和最低电位。为了能部分消除电荷注入引起的 误差，p m o s 管和n m o s 管的尺寸应满足下面的关系： l p = w l ( 3 - 9 ) 但是还有一些不理想因素，例如，使用单一时钟，从而则是经反相器产生， 那妒将会比有一些延迟，使其不是同时关闭，再者输入信号有其限制，输入信号 须在电源电压之中点值附近。同样的对减少时钟馈通误差帮助不大，因为n m o s 和 p m o s 的电源重叠电容并不一样大。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 6 开关的导通电阻与输入电压的关系图3 7c m o s 开关 3 5 本章小结 1 0 u l 开关电流存储单元是开关电流电路中的一个最基本的单元，而时钟馈通误差是 开关电流存储单元中最重要的一个非理想性能，本章首先详细分析了第一代开关电 流基本存储单元中的时钟馈通误差，并得出结论：第一代开关电流基本存储单元的 电流误差由常数项和信号关联项两部分组成。自从开关电流技术问世以来，时钟馈 通误差问题就一直是开关电流电路研究的一个热点，本章对国际上已经存在的时钟 馈通误差补偿方案进行了广泛的调研和总结，对每一种技术的