一种新型高性能开关电流存储单元的设计

　　开关电流技术是近年来提出的一种新的模拟信号采样、保持、处理技术。与已成熟的开关电容技术相比， 开关电流技术不需要线性电容和高性能运算放大器， 整个电路均由MOS 管构成， 因此可与标准数字CMOS 工艺兼容， 可与数字电路使用相同工艺并集成在同一块芯片上， 这预示着它将在数模混合集成电路的发展中扮演重要角色. 但是开关电流电路中存在一些非理想因素， 其中时钟馈通误差尤为突出， 它直接影响到电路的性能。近年来， 国际上已提出了一些减少时钟馈通误差的技术方案， 例如虚假补偿技术、全差分结构、多相复杂时钟算法存储单元， 大部分都是在输出端产生额外的误差电流来抵消前面产生的误差， 由于独立信号和补偿部分的存在， 复杂的电路和时钟相位技术将不可避免。文中通过分析第一代SI 存储单元时钟馈通误差产生的主要因素， 提出了一种消除钟馈误差的新方案， 在此基础上完成了电路设计， 最后给出了仿真性能和对比结果。该存储单元可用于构造性能良好的双线性积分器， 作为滤波器、∑-△ 调制器等系统的基本模块。

　　1 时钟馈通误差分析

　　图1( a) 是一个基本的第一代SI 存储单元， 开关S1 受时钟脉冲信号控制。当S1 断开时， 产生的注入电荷将注入到存储管M2 的栅极， 导致M2 的栅极产生一个时钟馈通误差信号， 最终在输出端产生误差电流。图1( b) 是一个含有处理误差信号的存储单元， 它比图1( a) 多了一个电压跟随器Vb 和一个与开关S1 受相同时钟脉冲信号控制的开关S2 。

图1 第一代开关电流存储单元

　　图1( b) 工作原理如下:

　　在采样相位期间， S1 和S2 同时导通， M1 和M2的源极电压相等， 即:

　　同时它们的栅压也是相等的。因此， 假定M1和M2 的漏极电压相等， 忽略沟道调制效应， M1 的漏极电流I D1 = I in + I O ， M2 的漏极电流I D2 =[K 2 / K 1] ID1 ， 其中K i 表示两个晶体管的跨导参数;I in和I out 分别表示输入和输出信号。

　　在保持相位期间， 开关S1 和S2 同时断开， 由S1产生的误差电荷将注入到M2 的栅极， 使得M2 的栅压变为:

　　同时由S2 产生的误差电荷将在电压跟随器Vb的输入端转化成误差电压， 通过电压跟随器在M2的源极产生误差电压V SCFT2 ， 使得M2 的源极电压变为:

　　其中VGs AMP2 和VS samp2分别表示开关同时导通时M2的栅极电压和源极电压; V GCFT2 和VSCFT 2分别表示开关同时断开后在M2 的栅极和源极产生的钟馈误差电压。

　　结果在保持相位期间M2 的栅源电压保持为: