甲乙類S2I存儲單元的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

開關(guān)電流技術(shù)是一種模擬取樣信號處理新技術(shù)，主要應(yīng)用于開關(guān)電流濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。由于開關(guān)電流電路無需使用雙層多晶硅電容，因此電路可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS數(shù)字工藝實(shí)現(xiàn)，從而降低了制造成本；采用開關(guān)電流技術(shù)可以縮小芯片尺寸，滿足現(xiàn)代SoC系統(tǒng)低電壓、低功耗需求。開關(guān)電流電路的建立時(shí)間由環(huán)路帶寬f∞決定：

式中的μ為溝道電荷遷移率，Vgs為MOS管的柵一源電壓，VT為開啟電壓，L為溝道長度。根據(jù)式（1）確定的關(guān)系，表明開關(guān)電流電路完全可以在數(shù)百兆赫茲的高頻下正常工作，因此可以用于高速電路的設(shè)計(jì)。

1 甲乙類SI存儲單元

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，就必須相應(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(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。甲乙類存儲單元由甲乙類電流傳輸器衍變而來，甲乙類電流傳輸器如圖1所示。當(dāng)用存儲管取代甲乙類電流傳輸器中的電流鏡并增加相應(yīng)的控制開關(guān)后，就構(gòu)成如圖2所示甲乙類存儲單元。圖2中對應(yīng)于電流傳輸器的Y端子接地，以確保X端子“虛地”。

基本甲乙類存儲單元的工作過程如下所述：電路采用兩相控制時(shí)鐘，在φ1相期間，對輸入電流取樣，此時(shí)M5和M6為二極管接法，柵一源電容Cgs5，Cgs6處于充電狀態(tài)。電路中電流關(guān)系如下：

式中的υi為電流輸入端對地電壓。需要注意的是，當(dāng)︱iin︱》4Ib時(shí)，輸入電流只存儲于M5或M6中。在φ2相期間，M5和M6為輸出管，其柵極處于斷開狀態(tài)，將仍相期間柵一源電容Cgs5，Cgs6所存儲的電流輸出到負(fù)載，輸出電流為：

此時(shí)M2和M4的漏極經(jīng)CMOS開關(guān)與電源相連，輸入電流繼續(xù)流入晶體管M2和M4，這樣可以縮短采樣相φ1的恢復(fù)時(shí)間。通過以上分析可知，開關(guān)電流甲乙類存儲單元的輸入電流的幅值不受限于偏置電流Ib，在相同的偏置條件下輸入動(dòng)態(tài)范圍比甲類存儲單元大得多。由于甲乙類存儲單元的存儲管由互補(bǔ)的NMOS和PMOS管構(gòu)成，因此可以減小由MOS開關(guān)注入電荷引起的存儲電流誤差。甲乙類電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)多個(gè)電路單元級聯(lián)時(shí)，可以共用同一個(gè)偏置電路，既節(jié)省了硬件開支，也降低了電路的功耗。

2 甲乙類S2I存儲單元

甲乙類S2I存儲單元的工作原理與簡單的S2I存儲單元的工作原理相似，電路結(jié)構(gòu)和時(shí)序如圖3所示。圖3中的M5和M6為粗存儲管，M7和M8為細(xì)存儲管，在φ1a相期間M5和M6對輸入電流采樣、存儲；在φ1b相期間，存儲管M7和M8對存儲管M5和M6中存儲的誤差電流采樣，然后在φ2相期間輸出電流，實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。其工作過程如下所述：

在φ1a （φ1ad） 相期間開關(guān)S3～S6導(dǎo)通，其余開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；輸人電流iin對M5和M6的柵一源電容充電，M5和M6所存儲的電流為i。=-iin+△（iin），其中△iin是開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的誤差電流；在φ1b（φ 1bd ）相期間，開關(guān)S7，S8以及S11～S14導(dǎo)通，S3～S6斷開；M5和M6的存儲電流與輸入電流的差值△（iin）由M2和M4的源極輸入，細(xì)存儲管M7和M8只對誤差電流△（iin）采樣，所存儲的電流為if=-△（iin）+△（△（iin））。在φ2相期問，S9，S10，S15，S16接通，粗存儲管M5和M6的存儲電流與細(xì)存儲管M7和M8的存儲電流相減輸出：

由于△（△（iin））是由△（iin）產(chǎn)生的，而△（△（iin））

實(shí)現(xiàn)電路采用CMOS開關(guān)以增大輸入信號動(dòng)態(tài)范圍，控制時(shí)鐘為互補(bǔ)對稱時(shí)鐘。時(shí)序的安排說明如下：φ1ad的脈沖寬度略大于φ1a的寬度，即M5的柵極比他的漏極提早切換，避免將開關(guān)切換所引起的誤差電流存儲。φ1b和φ 1bd之間的脈沖寬度關(guān)系與前者相同。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及其分析

采用EKV MOST模型參數(shù)對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行SPICE仿真。實(shí)現(xiàn)電路的MOS晶體管幾何尺寸如下：M1，M2，M6，M8的寬長比W/L=17μm/5μm；M3，M4，M5，M7的寬長比W/L=64 μm/5μm。開關(guān)管的尺寸：所有的NMOS管的寬長比都為W/L=1.6/μm/1.6 μm，PMOS管的寬長比都為W/L=4.4 μm/1.6 μm。其他仿真參數(shù)如下：電源電壓±0.5 V，偏置電流Ib=20 nA，輸入電流iin=300 nA，信源頻率fin=20 kHz，采樣時(shí)鐘頻率fc=200 kHz?；炯滓翌惔鎯卧姆抡娼Y(jié)果如圖5（a）所示，S2I存儲單元的仿真結(jié)果如圖5（b）所示。對比二者的波形可知，S2I存儲單元中的輸出電流誤差明顯小于基本甲乙類存儲單元的輸出電流誤差，這與前面理論分析得出的結(jié)論是一致的。

4 應(yīng)用舉例

積分器是開關(guān)電流電路中常用的構(gòu)建模塊，以積分器為基礎(chǔ)可以構(gòu)成各種濾波器及其他應(yīng)用電路。將提出的S2I存儲單元級聯(lián)并適當(dāng)引入電流反饋，就構(gòu)成一種甲乙類S2I通用積分器，如圖6所示。其傳遞函數(shù)表達(dá)式與相應(yīng)的甲類積分器相同：

式中：

由于只需將輸入電流進(jìn)行適當(dāng)組合即可得到不同的傳遞函數(shù)，而無須對電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，因此使用靈活、方便。

5結(jié) 語

本文提出一種工作于甚低電壓的甲乙類S2I存儲單元，與基本的甲乙類存儲單元相比他具有更好的系統(tǒng)性能，其低電壓、低功耗的特點(diǎn)使其適合于用作便攜式移動(dòng)設(shè)備的基本單元電路。

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