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。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準的 CMOS 數(shù)字工藝實現(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。
1、甲乙類 SI 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，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。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［3］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鐘，在φ1 相期間，對輸入電流取樣，此時 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，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載，輸出電流為：
此時 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優(yōu)點是：當(dāng)多個電路單元級聯(lián)時，可以共用同一個偏置電路，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)和時序如圖 3 所示。圖 3 中的 M5 和 M6 為粗存儲管，M7 和 M8 為細存儲管，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））《《△（iin），因此可以認為輸出電流與輸入電流相等。從理論上講，電流誤差項△可以變成“階誤差；只要將細存儲單元增加為 n 級，即 n 步采樣。但是這會使定時變得更為復(fù)雜，并且需要占用更多的芯片面積。以上的分析表明：采用 S2I 技術(shù)的 AB 類存儲單元比基本甲乙類存儲單元具有更佳的性能。
實現(xiàn)電路采用 CMOS 開關(guān)以增大輸入信號動態(tài)范圍，控制時鐘為互補對稱時鐘。時序的安排說明如下：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、仿真實驗及其分析
采用 EKV MOST 模型參數(shù)對設(shè)計的電路進行 SPICE 仿真。實現(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，采樣時鐘頻率 fc=200 kHz。基本甲乙類存儲單元的仿真結(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)表達式與相應(yīng)的甲類積分器相同［5］：
式中：
由于只需將輸入電流進行適當(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)進行改動，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、低功耗的特點使其適合于用作便攜式移動設(shè)備的基本單元電路。