一種低電壓開關(guān)電流甲乙類存儲單元的設(shè)計
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開關(guān)電流存儲單元是電流模式采樣數(shù)據(jù)信號處理系統(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)計性能優(yōu)良的開關(guān)電流存儲單元是研究開關(guān)電流技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)出現(xiàn)時間的先后，可將其分為第一代開關(guān)電流存儲單元和第二代開關(guān)電流存儲單元。第一代開關(guān)電流存儲單元的優(yōu)點是瞬態(tài)虛假信號很小，可以輸出非單位增益電流信號，以及采用相對簡單的單相時鐘方案。它的不足是需要由兩個晶體管組成，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)電流存儲單元。第二代開關(guān)電流存儲單元采用單管存儲方式來避免失配誤差、降低功耗，這是它的優(yōu)點。它的缺點是：電路工作時有較大幅度的瞬態(tài)虛假信號，雖然可以采用三相時鐘方案來減小瞬態(tài)虛假信號，但是由于定時方案的復(fù)雜性，該方案在實際應(yīng)用中并未得到廣泛采納；取樣時無信號輸出；只能輸出單位增益的電流信號。如果要輸出非單位增益的電流信號，則必須以電流鏡輸出方式。這一點與第一代開關(guān)電流存儲單元類似，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)很長時間，但第一代開關(guān)電流技術(shù)仍然在實際應(yīng)用巾起著重要的作用。
1 甲乙類存儲單元
在便攜式電子系統(tǒng)中，功耗是一個關(guān)鍵性問題。甲類存儲單元的輸入信號擺幅受偏置電流制約，即輸入信號幅度不能超過偏置電流幅度；如果要增大信號擺幅，必須相應(yīng)增大偏置電流，這無疑會使電路的靜態(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現(xiàn)較大的信號擺幅，即輸入信號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所示的甲乙類存儲單元進(jìn)行電路設(shè)計，電路原理如下：M1、M2為二極管接法的晶體管，M3、M4為存儲管，電路采用單相時鐘控制。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，由兩級甲乙類存儲單元串聯(lián)而成。M3、M4、M7、M8用做存儲管，電路工作過程如下。在φ1[n]相，第1級存儲單元的存儲管M3、M4對輸入電流取樣；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級存儲單元，由存儲管M7、M8輸出電流。電路實現(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)計的雙線性積分器，電路采用兩相控制時鐘。雙線性積分器的工作時序波形如圖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，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，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)時鐘頻率足夠高時，φ1[n]相和φ2[n+1／2]相的輸出信號近似相等，因此時鐘φ1[n]相和φ2[n+1／2]相都可以用于信號輸出，從而實現(xiàn)了雙頻采樣輸出。
4 仿真結(jié)果分析
采用HSPICE分別對設(shè)計的存儲單元、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存儲管的W／L=28μm／4μm，所有NMOS存儲管的W／L=12μm／8μm。
甲乙類存儲單元的仿真結(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，所有信號波形相當(dāng)理想。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計了一種低電壓甲乙類開關(guān)電流存儲單元，電源電壓1 V，其最大采樣信號頻率12.9 MHz，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、容易設(shè)計的優(yōu)點。HSPICE電路仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的電路有良好的工作性能，所有波形都很理想。本文設(shè)計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)計中，在實際應(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。
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