CN101409546A - Mos管开关电容积分电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS管开关电容积分电路，P型MOS管M1、M2、M3及M4一起组成Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极与M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连；M4的栅极与M1的栅极相连，M4的漏极与参考电流源lref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连；M1的漏极接输出端；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接，开关K的两端分别与M1的栅极和M4的栅极相连，或者开关K的两端分别与M3的栅极和M4的漏极连接。本发明极大程度的提高了输出精度；在不改变电路结构的前提下，它既可以作为线性DAC使用，也可以作为非线性DAC使用，而且可以实现任意的转换精度；它既可以用于电压驱动，也可以用于电流驱动。

Description

MOS管开关电容积分电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种MOS管开关电容积分电路。

背景技术

现有的开关电容积分电路的积分开关引起的误差主要存在于以下几个方面：第一、寄生电容的影响；第二、MOS管的导通电阻的影响，改善方法有：选用宽长比比较大的MOS管开关，或采用CMOS开关；第三、时钟馈通及采样尖峰，改善方法有：采用宽长比比较小的MOS管，以减小交叠电容；第四、电荷注入问题，改善方法有：在输出节点接一个虚拟MOS管，或采用CMOS开关，或采用非重叠时钟控制开关，或采用全差动结构的积分器，使两输入端的电荷注入影响相抵消。

但是，不管是采用上述何种方法，只能在一定程度上减小MOS管开关误差带来的影响，而不能从根本上去解决它，这主要是因为开关所处的位置决定了积分电压要受到上述几方面的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种MOS管开关电容积分电路，解决了现有技术中存在的积分开关引起的误差，导致MOS管开关的非理想特性受到影响的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种MOS管开关电容积分电路，P型MOS管M1、M2、M3、M4组成Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极和M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连，M3的栅极与M4的漏极相连；M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连M1的漏极与输出端相连；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接，开关K1的两端分别与M1的栅极和M4的栅极相连。

本发明所采用的另一技术方案是，一种MOS管开关电容积分电路，P型MOS管M1、M2、M3及M4一起组成Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极与M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连；M4的栅极与M1的栅极相连，M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连；M1的漏极接输出端；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接，开关K3的两端分别与M3的栅极和M4的漏极连接。

本发明的有益效果是，改变了传统MOS管开关电容积分电路中开关所处的位置，将开关转移到电流镜当中，只要恰当设置开关管子的参数，就能从根本上消除MOS管开关的非理想特性带来的各种影响。

附图说明

图1是现有技术的电压控制开关积分电路图；

图2是现有Cascode电流镜结构示意图；

图3是现有的MOS管开关电容积分电路示意图；

图4是本发明开关电容积分电路实施例1的示意图；

图5是本发明开关电容积分电路实施例2的示意图；

图6是图3、4、5中三种电路结构的后仿真结果比较图；

图7是图3、4、5中三种方式开关引起的尖峰电流示意图，其中a中曲线图是图4实施例1的方式仿真结果示意图，b为图3中的现有方式仿真结果示意图，c是图5实施例2的方式仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为现有技术电压控制开关积分电路图。C_int是积分电容。此种类型电路的积分开关引起的误差主要存在于以下几个方面：

第一、寄生电容的影响。由于积分电容上下电极和衬底存在着一定的寄生电容C_p1和C_p2，根据距离的不同，C_p1一般为(1％～5％)C，而C_p2一般为20％C。可见一个典型的集成电路模型是由3个电容组成的。由于C_p2两端是接地的，影响可以忽略，只有C_p1与C₁是并联的。

第二、MOS管的导通电阻的影响。由于MOS管开关并非理想开关，导通时的电阻非零，它与积分电容形成RC回路，会影响电容的充放电时间，如果导通电阻太大就会造成系统建立不完全等问题。另外，导通电阻还是VG的函数，因此会对系统造成一定的非线性误差。改善方法：选用宽长比比较大的MOS管开关，或采用CMOS开关。

第三、时钟馈通及采样尖峰。MOS器件的栅源和栅漏极存在着寄生的交叠电容。当开关导通(V_G为高电平)时，C_int本来应被充电到V_in，但交叠电容会将时钟低电平耦合到了C_int上。由图中关系可得误差电压：

${\mathrm{\ΔV}}_0=V_G\frac{C_{\mathrm{gd}}}{C_{\mathrm{gd}}+C_H}---\left(1\right)$

时钟馈通引起的另一干扰就是采样过程中出现电压尖峰。由于开关的时钟变化很快，快速变化的V_G通过MOS管的交叠电容耦合到漏极和源极。根据公式i＝CdU/dt，将会在很短的时间内产生很大的电流，该电流流经电容和开关(电阻)就会产生电压尖峰。这些电压尖峰将通过积分器积累到输出端，影响积分器的精度。改善方法：可采用宽长比比较小的MOS管，以减小交叠电容。

第四、电荷注入问题。当MOS管导通时，栅氧下的反型层中将积累一定数量的电荷，而当MOS管截止时，沟道中所储存的电荷就会从MOS管的源极和漏极流出，这种现象称为“沟道电荷注入”。流出的沟道电荷会存储在电容器上，对电容器电压产生一定的误差。注入到源极和漏极的电荷的多少与源漏的阻抗和电位、时钟的跳变时间都有关系。

图2所示为现有Cascode电流镜结构示意图。图中

V_X＝V_b-V_GS3＝V_ov1  V_Y＝V_b-V_GS4＝V_ov2    (2)

当M3饱和进，V_b-V_t3≤V_IN＝V_GS1(3)

当M1饱和时，V_IN-V_t1＝V_GS1-V_t1≤V_X＝V_b-V_GS3    (4)

由(3)，(4)得：V_GS3+(V_GS1-V_t1)≤V_b≤V_GS1+V_t3(5)

低电压工作时：V_b＝V_GS3+(V_GS1-V_t1)＝V_GS4+(V_GS2-V_t2)(6)

M1、M2的漏源电压相等，电流增益系统误差为0。输出最小电压：

V_OUT(min)＝V_DS2+V_DS4≈2V_ov    (7)

因此，现有Cascode电流镜电路中存在积分开关引起的误差，导致MOS管开关的非理想特性受到影响。

图3是现有的MOS管开关电容积分电路示意图，该电路的结构包括P型MOS管M1、M2、M3组成的Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极同时与M2的栅极和M4的漏极相连，M3的漏极与M4的源极相连；M4的栅极与M1的栅极相连，M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连，M1的漏极通过开关K2与输出端相连；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接。该电路中与图1和图2的结构原理类似，因此仍然存在前述的一系列不足，还是没有克服现有电路中存在的积分开关引起的误差问题。

图4为本发明的开关电路实施例1的示意图，包括P型MOS管M1、M2、M3、M4组成的Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极和M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连，M3的栅极与M4的漏极相连；M4的栅极与开关K1一端相连，M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连；M1的栅极与开关K1的另一端相连，M1的漏极与输出端相连；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接。本实施例1的开关电路与图3的现有积分电路相比，将开关K1设置在M1与M4之间。

图5为本发明的开关电路实施例2的示意图，包括P型MOS管M1、M2、M3及M4一起组成的Cascode电流镜结构，开关K3的两端分别与M3和M4连接，M3的源极与电源相连，M3的栅极在与M2的栅极相连的同时还与开关K3的一端相连，M3的漏极与M4的源极相连M4的栅极与M1的栅极相连，M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连的同时还与开关K3的另一端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连；M1的漏极接输出端；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接。本实施例2的开关电路与图3的现有积分电路相比，将开关K3设置在M3与M4之间。

本发明在图4和图5中的实施例电路，若作为电流驱动，可直接与负载相连，若作为电压驱动，M1的漏极接积分电容。在本发明中，以电压驱动方式为例说明它的工作原理。图4和图5使用恒流充电积分方式。原因是，使用电压源对电容进行充电，积分电压 $V_{\mathrm{out}}=\frac{{\∫V}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}}{R_{\mathrm{on}}{C}_{\mathrm{int}}},$ 它是积分时间t的非线性函数；使用电流源对电容充电积分，其 $V_{\mathrm{out}}=\frac{I\×t}{C_{\mathrm{int}}},$ 它是时间t的线性函数。在图3中，MOS管开关K2带来的误差正如上文所叙述的几个方面。而图4和图5将开关放在电流镜当中，显著克服了图3方式中开关带来的各种影响。

本发明图4实施例1的开关设在电流镜当中，在开关处于导通状态时，电流镜的输出电流由MOS管M2和M3决定， $I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{k}_p^{\′}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_t)}^2,$ 虽然K1开关的时钟馈通和沟道电荷注入会改变M1的栅极电压，但是，只要M1的栅极电压V_G满足V_DD+V_GS3-|V_t4|≤V_G≤V_DD+V_GS3+|V_t3|+V_GS4，输出电流I_out就不变。不过它的电流恒定不变要在输出电压小于V_DD-|V_DS2+V_DS1|。

本发明图5实施例2的工作原理与图4实施例1基本一致，略有不同的是，在开关导通时，实施例1只需要给M1的沟道现注入电荷，而实施例2需要给M1、M2的沟道同时注入电荷，因此实施例2的电路开启速度相对较慢，但是这是一种固定延迟，可以通过补充电路进行弥补。

图6是图3、图4、图5中的三种电路结构的后仿真结果比较图。从图6中看出，上述三种方式的积分电压都能很好的线性增长，只是在开关导通瞬间，图3方式的C曲线显示，积分电容上由于时钟馈通效应累积了一定的电荷，使得积分电压不能从0开始，导致它的实际测量值会比理论值高；而图4实施例1方式a曲线显示，由于克服了开关噪声的影响，它可以很好的从0开始线性增长；图5实施例2方式b曲线显示，虽然也克服了开关噪声的影响，但是需要先给两个管子的沟道注入电荷，使之形成电流通路，因此开启速度相对慢了一些，导致它的实际测量值会比理论值低。

图7是开关导通瞬间上述图3、图4、图5中三种方式的积分开关各自引起的尖峰电流示意图，图7b中曲线图是图3中的现有方式的仿真结果，它的尖峰电流高达40uA；而图7a中曲线图是图4实施例1的方式，图7c的曲线图是图5实施例2的方式，均只有2uA。

现有的电流开关网络结构，通常在开关动作的时候，MOS管开关的时钟馈通和沟道注入会引起镜像电流、电压的变化，进而引起积分电容上电压的变化。而本发明的开关网络，可以克服MOS管开关带来的各种影响，积分电容不受开关动作的影响，积分电压保持一致，这一结果与理论分析相一致。

应用实例1：空间光调制器的驱动电路。空间光调制器的特征是：非线性反射谱线，超快的器件响应速度，较低的功耗和较小的面积。高速，简小，高分辨率，全摆幅的输出电压是空间光调制器驱动电路必须具备的基本性能。而本发明的开关电容电路结构完全可以满足这些性能，采用本发明的开关电容积分电路后，空间光调制器的像素单元的驱动电路面积仅为60um*60um，响应速度为50KHz，调制灰度可达256级。

应用实例2：OLED驱动电路属于电流驱动方式，通过调节OLED上的充电电流的时间，实现不同的亮度。本发明也是恒流充电方式，在应用于OLED驱动时，只需把积分电容替换为OLED即可，通过调节电流镜上的开关，来控制充电电流的时间。

当本发明的开关电容积分电路作为数模转换器使用时，和传统的电流型、电压型、电荷型DAC相比，它有以下几个优点：首先、它既可以实现线性转换，也可以实现非线性转换。其次、从转换精度上来看，它可以实现比电流型、电压型、电荷型数模转换器更高的精度。电流型、电压型、电荷型数模转换器随着精度的提高，结构越来越复杂，功耗越来越大，所以较难实现高精度的转换。而本发明的开关电容积分电路，不需改变电路结构，只要调节开关控制信号的脉冲宽度便实现高精度的数模转换。第三、由于本发明的开关电容电路结构不需改变电路结构，便可实现任意精度的数模转换，因此它具有更大的通用性和应用范围。第四、本发明的开关电容电路，克服了开关管带来的各种影响，更适合于高精度的系统中。

当本发明的开关电容积分电路作为驱动电路使用时，该电路具有很强的灵活性，去掉积分电容可以用于电流驱动，加上积分电容，可用于电压驱动，作为电流驱动时，可直接与负载相连；若作为电压驱动时，M1的漏极接积分电容；电流镜的结构不局限于Cascode结构，任何一种电流增益系统误差为0的结构均可；运用脉宽控制的思想，控制开关的导通与关断，从而实现不同的积分电压值。本发明的开关电容积分电路结构简单，面积小，速度快，精度高，具有更大的通用性和应用范围。

Claims (2)

1、一种MOS管开关电容积分电路，P型MOS管M1、M2、M3、M4组成Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极和M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连，M3的栅极与M4的漏极相连；M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连M1的漏极与输出端相连；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接，其特征在于：开关K1的两端分别与M1的栅极和M4的栅极相连。

2、一种MOS管开关电容积分电路，P型MOS管M1、M2、M3及M4一起组成Cascode电流镜结构，M3的源极与电源相连，M3的栅极与M2的栅极相连，M3的漏极与M4的源极相连；M4的栅极与M1的栅极相连，M4的漏极与参考电流源l_ref的输出端相连；M2的源极与电源相连，M2的漏极与M1的源极相连；M1的漏极接输出端；P型MOS管M1、M2、M3、M4的衬底均与电源连接，其特征在于：开关K3的两端分别与M3的栅极和M4的漏极连接。

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