CN1115695C - 处理采样模拟信号的设备 - Google Patents

Abstract

在数字BiCMOS处理中，可以如此方式利用MOS晶体管的存储能力和双极晶体管的大跨导，使其速度主要由从MOS晶体管(4)看去的电容和双极晶体管(5)的跨导来确定。对于在CMOS中的现有SI技术的优点在于：较高速度，较小误差和较高精度。对于BiCMOS中的其它技术的优点是较小误差和较高精度。本发明技术的独有特征是MOS器件的高输入阻抗与双极器件的高跨导的结合，其中只有在BiCMOS处理中才可用这两者，而在CMOS处理中不行。

Description

处理采样模拟信号的设备

本发明涉及在数字BiCMOS处理中一种用于处理采样模拟信号的方法，和在数字BiCMOS处理中一种用于处理采样模拟信号的设备。

开关电流(SI)技术是一种比较新的完全采用数字CMOS技术的模拟采样数字信号处理技术，比如可见，1993年由Peter Peregrinius公司的C.Toumazou，J.B.Hughes and N.C.Battersby写的“Switchedcurrents，an analogue technique in digital technology”。该SI电路的极限性能主要由MOS晶体管的跨导g_m和从它的栅极看进去电容C_g确定。尽管高速工作(大约100MHz)是可能的，其速度和精度的性能是由它本身的工艺限定的。为了具有高的精度，通常需要大的C_g，因为时钟馈通误差是与C_g成反比的。因此，增加g_m是增加速度的唯一途径。用同样的偏置电流，MOS晶体管的跨导显著低于双极晶体管。因此，采用双极晶体管可增加速度和/或改善精度。BiCMOS技术开创了采用MOS和双极晶体管两种的可能性。

已建议的一种用于在BiCMOS中处理高速采样数据信号的技术，例如，由P.Shak和C.Toumazou，in proc.1995 IntenationalSymposium on circuit and systems pp.323-326中写的“A newBiCMOS technique for very fast discrete time signalprocessing”。采用双极晶体管突破了该SI电路的gm/Cg的极限。它首先通过跨阻器将电流转换成电压，然后再通过跨导器将该电压转换成电流。将所述电压采样，并保持在该跨导器的输入端，它的输入装置是MOS晶体管。然而，转换的精度是由一些元件的绝对值确定的。比如，电阻器确定了跨阻值，而晶体管的大小和工作条件确定了跨导值。因此该技术对于处理变化是敏感的，另一缺点是它的复杂性。

由philips，U.K的John B.Hughes已提出的，在称为转换电流技术的技术上的专利申请，比如，EP89203067.7，1989-12-04。所有这些申请都集中在数字CMOS处理方面的技术。

在数字BiCMOS处理中，可以这种方式来利用MOS晶体管存储容量和双极晶体管的大跨导，使其速度主要由双极晶体管的跨导和由MOS晶体管看去的电容来确定。对于CMOS中的现有SI技术的优点是较高速度，较小误差，和较高精度。对于本发明的背景技术中所述的BiCMOS中的其它技术的优点是较小误差和较高精度。本发明技术的独有的特征是MOS器件的高输入阻抗与双极器件的高跨导的结合，其中这两种器件只能在BiCMOS处理中得到而不能在CMOS处理中得到。

图1是根据本发明的技术提议的一种电路结构。

图2是根据本发明的技术提议的另一种电路结构。

图3表示图1电路的模拟响应。

图4表示根据本发明的模拟误差相对于输入电流的变化。

该提议的新技术采用由MOS晶体管和双极晶体管组成的复合晶体管。如图1中所示，该MOS晶体管是共漏极结构，而该双极晶体管是共发射极结构。电流源I₀₁，I₀₂和I₁₃分别为晶体管M₀₄，Q₀₅和Q₁₆提供偏置电流。电容C₀₇代表在晶体管M₀的栅极上的所有电容，C₁₈代表在晶体管M₀的源极上的所有电容。

由一不重叠时钟控制所有的开关。在时钟相位ph₀期间，将开关S₀₉和S_1 10闭合，将S_2 11打开。输入电流I_in12流入晶体管Q₀的集电极，从而使其基极-发射极电压改变。由于晶体管M₀的共漏极结构，它的栅-源电压不改变，在晶体管M₀的栅极上的电位也按比例变化。当达到稳态时，晶体管M₀的栅极上的电位产生，将晶体管Q₀的基极-发射极电压变到散热器(或源极)，输入电流到晶体管Q₀。因为晶体管Q₀和Q₁具有相同的基极-发射极电压，如果两个晶体管具有同样的发射极区，则输出电流I_01 14等于输入电流Iin。

在时钟相位ph₁期间，开关S₀和S₁打开，而开关S₂闭合。MOS晶体管M₀的栅极被隔绝，保持在该栅极上的电位。因为晶体管M₀的栅源电压是不变的，晶体管Q₀的基极-发射极电压不变。因此，Q₀的集电极电流不变。输出电流I_00 13等于输入电流Iin，在时钟相位ph₀期间这是对晶体管Q₀的输入。因为晶体管Q₀和Q₁具有同样的基极-发射极电压，如果该两个晶体管具有同样的发射极区，则输出电流I₀₁等于输出电流I₀₀。

因此，输出电流I₀₀是输入电流Iin的存储，输出电流I₀₁实现了对输入电流Iin执行的跟踪和保持功能。因为将与M₀和Q₀的同样器件用作为输入和输出装置两者。在输入电流Iin和输出电流I₀₀之间无失配问题，正如在一个次生SI存储单元里一样。通过选择不同的发射极区可实现在输出电流I₀₁与输入电流Iin之间的定标因数。

当开关S₀和S₁闭合时，通过调整时间来确定电路的速度。忽略开关晶体管的导通电阻，该系统为两极点系统。主极点频率W₀等于g_mQo/C₀，其中g_mQo是双极晶体管Q₀的跨导，C₀是M₀的栅极上的总电容。非主极点频率Wn等于g_mmo/C₁，其中g_mmo是MOS晶体管M₀的跨导，C₁是在晶体管M₀的源极上的总电容。

对于在CMOS处理中的SI电路，其主极点频率是由MOS晶体管的跨导和由MOS晶体管的栅极看去的总电容确定的。由于双极晶体管的较高跨导，如果该非主频足够高，该提议的技术具有超高速的性能。可通过在电路设计中减少在M₀的源极上的电容来满足这一点，特别是在利用适当大的电容C₀来减少时钟馈通误差时。

通过使用大电容C₀还可对于精度折衷地选择速度，因为该时钟馈通误差是与C₀成反比的。而且，由于双极晶体管的使用，使M₀的栅极上的电压变化变小，甚至在用大电流输入时也是如此，这就减少了信号依赖时钟馈通误差。在CMOS处理中的SI电路里的另一误差源是由于漏-栅寄生电容。当漏极电位改变时，将通过漏-栅寄生电容耦合到栅极，这将引起过量误差，特别是对于高频应用。在图1中所示的提议电路中，将MOS晶体管的漏极电位系在V_CC上，因此，在栅极电压的转换中不受影响。因此，该提议的技术具有小得多的误差，对于信号相关和信号非相关误差都是如此。

如在CMOS处理中的次生SI存储单元中一样将器件M₀和Q₀用作输入和输出装置两者，故失配未引入任何误差。然而，当在使用晶体管Q₁且失配扮演重要角色的情况下，多数的情况电流反射镜需要实现不同的系数。因为双极晶体管的匹配比MOS晶体管的匹配好，在精度上所提议的技术也优于在MOS处理中的SI技术。

最后，值得注意一下简单性。因为双极晶体管具有较大的超前(early)电压，并且在输入与输出阶段Q₀的集电极上的电位变化是小的，无需精心地制作图1中所示的电路就可工作很好。原则上，在CMOS处理中SI电路也是简单的。然而，为处理不同的误差，例如时钟馈通误差，有限的输入/输出电导比率误差，由于栅极-漏极寄生电容的误差，需要比较复杂的电路和/或时钟。该提议的技术并不像MOS处理中的SI技术那样需要线性电容。与早期提议的技术相比，该新的技术并不要求跨阻器与跨导器之间的匹配，电路设计简化很多。

图2中示出了另一种电路实施。它与在CMOS处理中的初生SI存储单元相似。在图2中将不同的器件用于输入和输出。将晶体管M₀₁₅和Q₀₁₆用作输入装置，而将晶体管M_1 17和Q_1 18用作输出装置。电流源I_0 19，I_0 20，I_1 21和I_1 22分别为晶体管M₀，Q₀，M₁和Q₁提供偏置电流。

电容C_0 26代表晶体管M₀的栅极上的所有电容。电容C_1 27代表晶体管M₀的源极上的所有电容。电容C_2 28代表晶体管M₁的栅极上的所有电容。电容C_3 29代表晶体管M₁的源极上的所有电容。

假设晶体管M₀和M₁具有同样的尺寸，晶体管Q₀和Q₁具有同样的尺寸。当开关S_0 23闭合时的时钟相位ph₀期间，M₁的栅极电压等于M₀的栅极电压，因此晶体管Q₀和Q₁的基极-发射极电压相等。这使Q₀和Q₁的集电极电流相等。因此，输出电流I_0 24等于输入电流Iin₂₅。在将开关S₀打开的时钟相位ph₁期间，M₁的栅极被隔绝，保持该电位。这使Q₁的基极-发射极电压不变，因此其集电极电流不变。输出电流I₀保持不变。因此，该电路实现了跟踪-保持功能，正如在CMOS处理中的初生SI存储器单元一样。正如上述，该电路对于它的CMOS对应物显示出优越的性能。

为了检验其函数性，通过使用3.3v数字BiCMOS处理的参数来模拟图1中所示的电路。该电源电压是3.3v。在图3中示出了输入电流Iin和输出电流I₀₁。该输入电流是一个20-MHz100μA的正弦波，该时钟频率是100MHz。显然，实现了跟踪和保持功能。

在图4中示出了该模拟电流误差对于基于图1中所示电路方案的全差分设计的输入电流的曲线。在每个分支中的偏置电流是大约360μA。可以看出，当采样频率为100MHz时，该误差小于0.55％，并且变化很小。这显示了好的线性。当时钟频率增加到250MHz时，该误差由于调整误差而增加。当输入电流小于该偏置电流的50％时其误差变化仍然很小，表现了好的线性。

尽管上面的描述包含了大量细节和特殊性，但应理解，这些只是对本发明的说明而不构成对其的限制。对本领域的技术人员来说很明显，许多修改是很容易的，而并不离开本发明的精神和范围，而本发明的这个精神和范围是由所附权利要求书及其它们的法律上的等同物限定的。

Claims (2)

1.在BiCMOS处理中利用MOS晶体管和双极晶体管的一种用于处理在数字BiCMOS处理中的采样模拟信号的设备，其中设有用于暂时存储在MOS晶体管的栅极上的电压的装置，设置使用双极晶体管的跨导提高速度的装置，其特征在于：将共漏极结构的MOS晶体管(4)和共发射极结构的双极晶体管(5)连接用作在由非重叠时钟控制的不同时钟相位上的输入和输出装置；并通过用连接额外的双极晶体管(6)，来实现具有由两个组成双极晶体管(5，6)的发射极区确定的可能定标因数的跟踪和保持功能，其中两个双极晶体管(5，6)的基极互连。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于：将共漏极结构的MOS晶体管(15)和共发射极结构的双极晶体管(16)连接用作输入装置；将另一共漏极结构的MOS晶体管(17)和另一共发射极结构的双极晶体管(18)连接用作输出装置；只有在由非重叠时钟控制的一个时钟相位上，才将该输入和输出装置连接在一起。

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