开关电流电路的非理想因素分析及其改进

论文摘要

随着科学技术的不断发展,实现单片混合模拟和数字集成电路成为集成电路设计发展的必然趋势。在现代混合集成电路中极大部分的采用了数字电路,只有极小部分采用了模拟电路,因此,数字CMOS工艺成为工艺设计的必然。然而,开关电容电路无法与数字CMOS工艺完全兼容,这严重限制了混合集成电路的发展,开关电流技术正是在这种背景下提出的。开关电流技术是在1989年由Hughes等人提出的,是一种全新的、数字工艺的模拟取样数据处理技术。开关电流技术是电流域模拟取样数据系统,与开关电容电路相比,具有如下显著优点：与数字CMOS工艺完全兼容；不需要高性能的线性浮置电容和运算放大器；具有高频、低压、低功耗和动态范围大等特点。迄今,开关电流电路已发展成为低压低耗大规模集成电路重要而关键的实现技术之一,并引起了国内外诸多学者的高度关注。本文首先介绍了开关电流电路的发展背景和现状,及高性能开关电流的基本存储单元和基本模块,然后分析了在开关电流电路中用作开关和存储管的非理想MOS管所引起的非理想因素。这些非理想因素使得开关电流电路的实际工作性能与理想性能存在偏差,使之无法与开关电容电路相媲美,并严重影响了开关电流技术的实用化进程。因此,如何降低开关电流电路中非理想因素的影响,改善电路中的各种误差成为一个重要的研究课题,也是本文的研究重点。本文详细介绍了开关电流电路的各种非理想因素：失配误差、电导比误差、调整误差、电荷注入误差和噪声误差。针对影响开关电流电路性能的两个主要误差——电荷注入误差和电导比误差,本文给出了相应的计算公式,并进行了重点分析。在负反馈技术和全差分电路的基础上,根据开关晶体管关断前消除反型层可以改善电荷注入误差这一思想,提出了一种新型低误差开关电流存储单元,并进行了HSPICE仿真。仿真结果表明新型低误差开关电流存储单元有效地改善了非理想因素,其性能与CVS开关电流存储单元的基本相同,有效地改善了基本存储单元的误差。然而,相比于CVS电路和时钟馈通补偿电路,新型低误差开关电流存储单元的电路结构简单,且没有复杂的时钟控制模块。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 开关电流的发展历史和现状
• 1.2 选题的背景及意义
• 1.3 论文的内容及组织结构
• 第2章 开关电流电路的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 模拟取样数据技术的发展
• 2.2.1 斗链器件
• 2.2.2 电荷耦合器件
• 2.2.3 开关电容
• 2.3 开关电流基本理论
• 2.3.1 第一代开关电流存储单元
• 2.3.2 开关电流基本存储单元
• 2.3.3 延迟单元
• 2.3.4 延迟线
• 2.4 小结
• 第3章 开关电流的非理想因素
• 3.1 引言
• 3.2 失配误差
• 3.3 输出输入电导比误差
• 3.4 调整误差
• 3.4.1 欠阻尼响应
• 3.4.2 临界阻尼响应
• 3.4.3 过阻尼响应
• 3.5 电荷注入误差
• 3.5.1 电荷注入误差分析
• 3.5.2 具有电荷注入误差的存储单元响应
• 3.6 噪声误差
• 3.7 小结
• 第4章 开关电流的负反馈技术和全差分电路
• 4.1 引言
• 4.2 负反馈技术
• 4.2.1 简单共源-共栅组态存储单元
• 4.2.2 栅极接地有源存储单元
• 4.3 全差分开关电流电路
• 4.4 小结
• 第5章 开关电流电路的改进
• 5.1 引言
• 5.2 CVS电路
• 5.2.1 零电压开关电路
• 5.2.2 低误差CVS开关电流电路
• 5.2.3 RCFB结构
• 5.3 时钟馈通补偿电路
• 5.4 新型低误差开关电流存储单元
• 5.5 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）