一种低电压低功耗的甲乙类S2I存储单元

开关电流技术是一种模拟取样信号处理新技术，主要应用于开关电流滤波器和模数转换器设计。由于开关电流电路无需使用双层多晶硅电容，因此电路可以采用标准的CMOS数字工艺实现，从而降低了制造成本；采用开关电流技术可以缩小芯片尺寸，满足现代SoC系统低电压、低功耗需求。开关电流电路的建立时间由环路带宽f∞决定：


  
式中的μ为沟道电荷迁移率，Vgs为MOS管的栅一源电压，VT为开启电压，L为沟道长度。根据式(1)确定的关系，表明开关电流电路完全可以在数百兆赫兹的高频下正常工作，因此可以用于高速电路的设计。  

l 甲乙类SI存储单元  

在便携式电子系统中，功耗是一个关键性问题。甲类存储单元的输入信号摆幅受偏置电流制约，即输入信号幅度不能超过偏置电流幅度。如果要增大信号摆幅，就必须相应增大偏置电流，这无疑会使电路的静态功耗增大，因此甲类电路无法满足现代电子系统的低电压、低功耗设计需求，而甲乙类结构的电路仅需要极小的偏置电流就能实现较大的信号摆幅，即输入信号的幅度可以超过偏置电流幅度，所以很适合于低功耗电路应用。甲乙类存储单元由甲乙类电流传输器衍变而来，甲乙类电流传输器如图1所示。当用存储管取代甲乙类电流传输器中的电流镜并增加相应的控制开关后，就构成如图2所示甲乙类存储单元。图2中对应于电流传输器的Y端子接地，以确保X端子"虚地"。  



  
基本甲乙类存储单元的工作过程如下所述：电路采用两相控制时钟，在φ1相期间，对输入电流取样，此时M5和M6为二极管接法，栅一源电容Cgs5,Cgs6处于充电状态。电路中电流关系如下：




  
式中的υi为电流输入端对地电压。需要注意的是，当︱iin︱>4Ib时，输入电流只存储于M5或M6中。在φ2相期间，M5和M6为输出管，其栅极处于断开状态，将仍相期间栅一源电容Cgs5,Cgs6所存储的电流输出到负载，输出电流为：



此时M2和M4的漏极经CMOS开关与电源相连，输入电流继续流入晶体管M2和M4，这样可以缩短采样相φ1的恢复时间。通过以上分析可知，开关电流甲乙类存储单元的输入电流的幅值不受限于偏置电流Ib，在相同的偏置条件下输入动态范围比甲类存储单元大得多。由于甲乙类存储单元的存储管由互补的NMOS和PMOS管构成，因此可以减小由MOS开关注入电荷引起的存储电流误差。甲乙类电路的另一个优点是：当多个电路单元级联时，可以共用同一个偏置电路，既节省了硬件开支，也降低了电路的功耗。

2 甲乙类S2I存储单元  

甲乙类S2I存储单元的工作原理与简单的S2I存储单元的工作原理相似，电路结构和时序如图3所示。图3中的M5和M6为粗存储管，M7和M8为细存储管，在φ1a相期间M5和M6对输入电流采样、存储；在φ1b相期间，存储管M7和M8对存储管M5和M6中存储的误差电流采样，然后在φ2相期间输出电流，实现电路如图4所示。其工作过程如下所述：  

在φ1a (φ1ad) 相期间开关S3～S6导通，其余开关处于关断状态；输人电流iin对M5和M6的栅一源电容充电，M5和M6所存储的电流为i。=-iin+△(iin)，其中△iin是开关切换时产生的误差电流；在φ1b(φ 1bd )相期间，开关S7，S8以及S11～S14导通，S3～S6断开；M5和M6的存储电流与输入电流的差值△(iin)由M2和M4的源极输入，细存储管M7和M8只对误差电流△(iin)采样，所存储的电流为if=-△(iin)+△(△(iin))。在φ2相期问，S9，S10,S15,S16接通，粗存储管M5和M6的存储电流与细存储管M7和M8的存储电流相减输出：


  
由于△(△(iin))是由△(iin)产生的，而△(△(iin))


  

实现电路采用CMOS开关以增大输入信号动态范围，控制时钟为互补对称时钟。时序的安排说明如下：φ1ad的脉冲宽度略大于φ1a的宽度，即M5的栅极比他的漏极提早切换，避免将开关切换所引起的误差电流存储。φ1b和φ 1bd之间的脉冲宽度关系与前者相同。

3 仿真实验及其分析  

采用EKV MOST模型参数对设计的电路进行SPICE仿真。实现电路的MOS晶体管几何尺寸如下：M1，M2，M6，M8的宽长比W/L=17μm/5μm；M3，M4，M5，M7的宽长比W/L=64 μm/5μm。开关管的尺寸：所有的NMOS管的宽长比都为W/L=1.6/μm/1.6 μm，PMOS管的宽长比都为W/L=4.4 μm/1.6 μm。其他仿真参数如下：电源电压±0.5 V，偏置电流Ib=20 nA，输入电流iin=300 nA，信源频率fin=20 kHz，采样时钟频率fc=200 kHz。基本甲乙类存储单元的仿真结果如图5(a)所示，S2I存储单元的仿真结果如图5(b)所示。对比二者的波形可知，S2I存储单元中的输出电流误差明显小于基本甲乙类存储单元的输出电流误差，这与前面理论分析得出的结论是一致的。