开关电流电路的非理想性能及其改进

霍 聪 颖

（衡水学院 电子信息工程学院，河北 衡水 053000）

0 引言

在19世纪80年代的早期，开关电容技术在模拟信号处理技术的主要力量中占据优势.最初开关电容主要应用在精密的滤波模拟，后来发展的更广泛，甚至包括一些非线性的信号处理.但是发展的比较成熟的开关电容电路需要线性浮置电容，使用双层多晶硅实现的开关电容，不适用于工艺尺寸缩小到深亚微米范围；向深亚微米工艺发展的趋势还导致电源电压降低，直接减小适用于开关电容上的最大电压摆幅，因而减小它们最大可达动态范围.在这种背景之下，近年来提出了基于电流模式的开关电流技术，且其研究迅速发展，在模拟取样数据处理领域有取代开关电容技术的趋势[1].

1 问题的提出

1989年，J.B.Hughes等首次提出开关电流这一概念.作为取代开关电容技术的开关电流技术，具有一系列的优点，比如：与标准CMOS工艺兼容，它是一种新型的模拟电路，运行在电流模式状态下，具有低电压、低功耗的特点，这类电路的设计方法还具有系统化、模块化的特点[2].

开关电流电路的发展经历了第一代存储单元和第二代存储单元[3].图 1（a）是开关电流第一代 SI电路，图1（b）为第二代SI电路.第二代SI电路与第一代电路的原理是相同的，不同的是第二代存储单元只用一个晶体管实现电流到电压和电压到电流的转换.这样一来就必须额外增加2个开关来控制晶体管电流的方向.

图1 开关电流电路基本存储单元

开关电流技术作为一种新兴的技术，理论上比开关电容技术更具优势，可是在实际的应用中，开关电流技术也存在一些非理想因素影响并限制了开关电流电路的精度、速度、线性等方面.为此，基于第二代开关电流电路提出了一些改进的方法.

2 开关电流电路的非理想因素

同开关电容技术一样，MOS晶体管的不完整性导致与由它的信号处理模型的算法特征所描述的理想性能有偏差[4].根据MOS晶体管的不完善性的类型，开关电流电路的影响因素可以分为：失配误差、输出—输入电导比误差、调整误差、电荷注入误差等等.

不同于第一代开关电流电路的是，第二代开关电流基本单元不存在晶体管不匹配误差.这是因为相同的晶体管 M1在时钟开关阶段都使用.然而，有两个基本的误差存在于第二代开关电流基本单元，即时钟馈通误差和输出跨导误差.

2.1 时钟馈通效应误差

图1（b）为基本的第二代开关电流基本单元.电荷注入误差是由2个因素引起的.第一个因素是时钟信号φ1的容性耦合通过开关晶体管 MS寄生源区到扩散区的重叠电容.第二个因素是电荷注入从开关晶体管沟道到存储晶体管M1的栅极，当开关管MS打开，通过开关管MS的电荷注入可以表示为[5]：

其中 VH是开关开启的电压，Vgs是存储晶体管 M1的栅源电压，WSLS是开关的面积.第二个引起时钟馈通误差的是开关栅源重叠电容COX.流入存储晶体管的完全注入电荷表示为：

VL是时钟的低电平，WSLovS是开关管MS源极重叠面积.与存储晶体管电容CM和面积WMLM有关的时钟馈通误差电压表示为：

忽略沟道长度调制效应，漏极电流id在时钟φ2可以写成：

输出电流iout可以被分成2部分，一部分是输入电流iin，另外一部分是误差项ierr.

因此等式（3）中的误差电压产生了等式（5）中的误差电流.

2.2 输出电导误差

MOS管在饱和区的漏极电流如等式（6）所示.

晶体管可以被描述为包括一个理想的晶体管参数λ=0，在漏极和源极之间连接一个数值为G0的电导的等效电路.由等式（6）可以得到：

这是一个信号等式，不仅仅是一个偏置电流的等式.电流误差定义为：

与通过M1的寄生电容Cdg1反馈有关，它是从VDS1到VGS1变化的.虽然iε是一个离散时间值，但是它可以简单地认为是连续时间值 iε（t） 的简化版.所以把等式（8）写为

3 误差改进的方法及措施

目前已经有很多种基于第二代开关电流基本单元的改进电路.以前的许多种改进电路主要着眼于误差电压的减少.本文提出了一种基于误差电压减少和负反馈技术的第二代开关电流基本单元的改进电路.图 2为改进的3.3 V开关电流电路的电路示意图.

和传统的第二代开关电流基本单元电路相比，改进的电路有以下的优点：第一，为了减少栅极电压误差，使用了一个二极管连接方式的MOS管，其工作方式相当于一个二极管，见图3.另外也加入了一个MOS管电容MC.MOS管电容增加了节点C的电容值，它能减少开关S2的时钟馈通效应.另外，为了减少输出电导阻抗误差当输入电流改变的时候，加入MOS管M2在改进的电路中.

图2 改进的开关电流电路

图3 级联MOS管示意图

当时钟φ2到达，偏置电流和输入电流iin注入晶体管M1.与此同时，节点A的电压增加直到晶体管M1的漏极电流等于偏置电流和输入电流的和.当稳定的时候，因为偏置电流是常数，节点 B的电压也几乎是常数.当时钟φ2关闭，节点电压A被保持，因为二极管连接方式的晶体管防止了电荷流出开关S2，开关S2的时钟馈通效应也被晶体管电容补偿.因此，晶体管M1保持了偏置电流和输入电流.

与传统的第二代开关电流基本单元电路不同，加入用时钟φ1控制的开关 S1.在改进电路中因为电流注入节点A通过二极管连接方式的晶体管.然而，不能使电荷流出电压节点A.为了使节点A能流入和流出电荷，加入一个开关S1在节点A和节点B中.当开关S1关闭，偏置电流流入晶体管.当开关S1打开，节点A的电压减少，因为电荷从开关 S1注入到节点 A.因此，无论输入电流是正的还是负的，它都能够通过二极管连接方式的晶体管注入节点A.

图4为二级开关电流电路的示意图.第二级电路的工作过程和第一级电路是一样的.当时钟φ2关闭，输出电流iout等于输入电流iin.因为晶体管M1保持偏置电流和输入电流.与此同时，由于第二级有常数偏置电流，节点B的电压保持不变，它形成了一个负反馈通过开关S3，所以节点B的电压也是常数.这个作用可以减少输出电导误差.最后，与信号有关和与信号无关的误差都要被减少.因此，输出电流等于输入电流.

图4 二级开关电流电路图

4 模拟和仿真结果

新的改进的开关电流基本单元电路用0.35 μm工艺制作，电源电压3.3 V，电路用Pspice软件仿真.偏置电流 Io射程 100 μA，输入电流为正弦波，范围是－20～20 μA.图5为仿真结果.从仿真结果来看，输出电流误差很小，波形理想，达到了预期的目的.

5 结束语

开关电流技术（SI）作为一种要替代开关电容技术（SC）的新技术，也存在一些非理想性的因素，使其应用受到了一定的限制.因此，分析其误差并做出相应的改进，达到理想的效果，使开关电流技术有更广阔的发展前景.

图5 仿真结果

[1] 胡沁春.小波变换的开关电流技术实现研究[D].长沙:湖南大学，2007:1-3.

[2] 龙佳乐，何怡刚，张建民.用开关电流技术实现连续小波变换的改进方法[J].信息与控制，2007，36（4）:441.

[3] 陈曦，高勇.开关电流电路及其误差分析[J].现代电子技术，2006，29（10）:99.

[4] Toumazou C， Hughes J B， Battersby N C.开关电流—数字工艺的模拟技术[M].姚玉洁，刘素馨，刘激扬，等，译.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.