一種低電壓開關(guān)電流甲乙類存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)

引言

開關(guān)電流存儲(chǔ)單元是電流模式采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)的基本單元電路，其性能的優(yōu)劣直接影響采樣系統(tǒng)的整體性能，因此，研究設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的開關(guān)電流存儲(chǔ)單元是研究開關(guān)電流技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)出現(xiàn)時(shí)間的先后，可將其分為第一代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元和第二代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元。第一代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元的優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)虛假信號(hào)很小，可以輸出非單位增益電流信號(hào)，以及采用相對(duì)簡單的單相時(shí)鐘方案。它的不足是需要由兩個(gè)晶體管組成，因此存在失配誤差問題和較大的功耗。為克服失配誤差等問題，人們進(jìn)而研究出第二代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元。第二代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元采用單管存儲(chǔ)方式來避免失配誤差、降低功耗，這是它的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是：電路工作時(shí)有較大幅度的瞬態(tài)虛假信號(hào)，雖然可以采用三相時(shí)鐘方案來減小瞬態(tài)虛假信號(hào)，但是由于定時(shí)方案的復(fù)雜性，該方案在實(shí)際應(yīng)用中并未得到廣泛采納；取樣時(shí)無信號(hào)輸出；只能輸出單位增益的電流信號(hào)。如果要輸出非單位增益的電流信號(hào)，則必須以電流鏡輸出方式。這一點(diǎn)與第一代開關(guān)電流存儲(chǔ)單元類似，即也存在諸如失配誤差和功耗增加等問題。因此，盡管第二代開關(guān)電流技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)很長時(shí)間，但第一代開關(guān)電流技術(shù)仍然在實(shí)際應(yīng)用巾起著重要的作用。

1 甲乙類存儲(chǔ)單元

在便攜式電子系統(tǒng)中，功耗是一個(gè)關(guān)鍵性問題。甲類存儲(chǔ)單元的輸入信號(hào)擺幅受偏置電流制約，即輸入信號(hào)幅度不能超過偏置電流幅度；如果要增大信號(hào)擺幅，必須相應(yīng)增大偏置電流，這無疑會(huì)使電路的靜態(tài)功耗增大，因此甲類電路無法滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的低電壓、低功耗設(shè)計(jì)需求。而甲乙類結(jié)構(gòu)的電路僅需要極小的偏置電流就能實(shí)現(xiàn)較大的信號(hào)擺幅，即輸入信號(hào)的幅度可以超過偏置電流幅度，所以很適合于低功耗電路應(yīng)用。

本文采用如圖1所示的甲乙類存儲(chǔ)單元進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電路原理如下：M1、M2為二極管接法的晶體管，M3、M4為存儲(chǔ)管，電路采用單相時(shí)鐘控制。在采樣相φ1[n]：Vgs1=Vgs3，Vgs2=Vgs4，其中Vgs1、Vgs2、Vgs3和Vgs4分別為晶體管M1～M4的柵-源電壓；輸出電流為iout[n]=-Aiin[n]，其中A為電流增益因子。在保持相φ1[n+1／2]：M3、M4的柵電容上的柵電壓保持為Vgs1和Vgs3，所以輸出電流為iout[n+1／2]=-Aiin[n]。電路實(shí)現(xiàn)的z域傳遞函數(shù)為H(z)=-Az-1/2。

2 甲乙類延遲單元

甲乙類開關(guān)電流延遲單元如圖2所示，由兩級(jí)甲乙類存儲(chǔ)單元串聯(lián)而成。M3、M4、M7、M8用做存儲(chǔ)管，電路工作過程如下。在φ1[n]相，第1級(jí)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)管M3、M4對(duì)輸入電流取樣；在φ2[n+1／2]相，開關(guān)φ1斷開，M3、M4將取樣相電流輸出到第2級(jí)存儲(chǔ)單元，由存儲(chǔ)管M7、M8輸出電流。電路實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)為H(z)=Az-1。

3 雙線性積分器

圖3(a)所示為采用圖2所示延遲單元設(shè)計(jì)的雙線性積分器，電路采用兩相控制時(shí)鐘。雙線性積分器的工作時(shí)序波形如圖3(b)所示。電路的工作原理如下。M1～M6構(gòu)成電流增益為A的輸入級(jí)，輸入電流在φ1相的取樣值由M3、M4的公共端輸出，在φ2相的取樣值由M5、M6的公共端輸出。M 11～M 16構(gòu)成電流增益為1的反饋級(jí)，輸出電流由M 15、M 16的公共端反饋到M7、M8的公共端。

在φ1[n]相，輸出電流為：

在φ2[n+1／2]相，輸出電流為：

由式(1)和式(2)可以發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的z域傳遞函數(shù)表達(dá)式：

當(dāng)時(shí)鐘頻率足夠高時(shí)，φ1[n]相和φ2[n+1／2]相的輸出信號(hào)近似相等，因此時(shí)鐘φ1[n]相和φ2[n+1／2]相都可以用于信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了雙頻采樣輸出。

4 仿真結(jié)果分析

采用HSPICE分別對(duì)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)單元、延遲單元和積分器電路進(jìn)行了仿真，晶體管模型選用TSMC0.18μm標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝參數(shù)。電源電壓為±1 V；輸入電流iin=40μA，信號(hào)頻率fin=100 kHz，采樣頻率fs=1 MHz；開關(guān)管的寬長比W／L=0.4μn／0.4μm。所有PMOS存儲(chǔ)管的W／L=28μm／4μm，所有NMOS存儲(chǔ)管的W／L=12μm／8μm。

甲乙類存儲(chǔ)單元的仿真結(jié)果如圖4所示，由圖4(b)測得的-3 dB頻率為12.9 MHz，即電路的最大采樣信號(hào)頻率為12.9 MHz。

延遲單元和雙線性積分器的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖4～6可以看出，輸出達(dá)到了預(yù)期功能。仿真波形中沒有出現(xiàn)瞬態(tài)虛假信號(hào)，所有信號(hào)波形相當(dāng)理想。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種低電壓甲乙類開關(guān)電流存儲(chǔ)單元，電源電壓±1 V，其最大采樣信號(hào)頻率12.9 MHz，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、容易設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。HSPICE電路仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路有良好的工作性能，所有波形都很理想。本文設(shè)計(jì)的雙線性積分器可用于開關(guān)電流濾波器和開關(guān)電流調(diào)制器的設(shè)計(jì)中，在實(shí)際應(yīng)用中還可以通過采用共源-共柵電路結(jié)構(gòu)以及S2I等技術(shù)來進(jìn)一步提升電路性能。