專利名稱：Mos管開關(guān)電容積分電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種MOS管開關(guān)電容積分電路。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的開關(guān)電容積分電路的積分開關(guān)引起的誤差主要存在于以下幾個(gè) 方面第一、寄生電容的影響；第二、 MOS管的導(dǎo)通電阻的影響，改善方 法有選用寬長(zhǎng)比比較大的MOS管開關(guān)，或采用CMOS開關(guān)；第三、時(shí)鐘 饋通及采樣尖峰，改善方法有釆用寬長(zhǎng)比比較小的MOS管，以減小交疊 電容；第四、電荷注入問題，改善方法有在輸出節(jié)點(diǎn)接一個(gè)虛擬MOS管， 或采用CMOS.開關(guān)，或采用非重疊時(shí)鐘控制開關(guān)，或采用全差動(dòng)結(jié)構(gòu)的積 分器，使兩輸入端的電荷注入影響相抵消。
但是，不管是采用上述何種方法，只能在一定程度上減小MOS管開關(guān) 誤差帶來的影響，而不能從根本上去解決它，這主要是因?yàn)殚_關(guān)所處的位置 決定了積分電壓要受到上述幾方面的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種MOS管開關(guān)電容積分電路，解決了現(xiàn)有技術(shù) 中存在的積分開關(guān)引起的誤差，導(dǎo)致MOS管開關(guān)的非理想特性受到影響的 問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種^OS管開關(guān)電容積分電路，P型MOS 管M1、 M2、 M3、 M4組成Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極與電源相連， M3的柵極和M2的柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連，M3的柵極與M4的漏極相連；M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連；M2的源極與 電源相連，M2的漏極與Ml的源極相連；Ml的漏極與輸出端相連；P型
MOS管Ml、 M2、 M3、 M4的襯底均與電源連接，開關(guān)Kl的兩端分別與 Ml的柵極和M4的柵極相連。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是， 一種MOS管開關(guān)電容積分電路，P 型MOS管Ml 、 M2、 M3及M4 —起組成Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極 與電源相連，M3的柵極與M2的柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連；
M4的柵極與Ml的柵極相連，M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連；
M2的源極與電源相連，M2的漏極與Ml的源極相連；Ml的漏極接輸出端； P型MOS管Ml、 M2、 M3、 M4的襯底均與電源連接，開關(guān)K3的兩端分別 與M3的柵極和M4的漏極連接。
本發(fā)明的有益效果是，改變了傳統(tǒng)MOS管開關(guān)電容積分電路中開關(guān)所處 的位置，將開關(guān)轉(zhuǎn)移到電流鏡當(dāng)中，只要恰當(dāng)設(shè)置開關(guān)管子的參數(shù)，就能從 根本上消除MOS管開關(guān)的非理想特性帶來的各種影響。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電壓控制開關(guān)積分電路圖； 圖2是現(xiàn)有Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是現(xiàn)有的MOS管開關(guān)電容積分電路示意圖； 圖4是本發(fā)明開關(guān)電容積分電路實(shí)施例1的示意圖； 圖5是本發(fā)明開關(guān)電容積分電路實(shí)施例2的示意圖； 圖6是圖3、 4、 5中三種電路結(jié)構(gòu)的后仿真結(jié)果比較圖； 圖7是圖3、 4、 5中三種方式開關(guān)引起的尖峰電流示意圖，其中a中曲 線圖是圖4實(shí)施例1的方式仿真結(jié)果示意圖，b為圖3中的現(xiàn)有方式仿真結(jié)果示意圖，C是圖5實(shí)施例2的方式仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)電壓控制開關(guān)積分電路圖。是積分電容。此種類型 電路的積分開關(guān)引起的誤差主要存在于以下幾個(gè)方面
第一、寄生電容的影響。由于積分電容上下電極和襯底存在著一定的寄 廠 廣
生電容w和S2，根據(jù)距離的不同，^一般為(p/。 5y。)c,而。2—般
為20。/。C。可見一個(gè)典型的集成電路模型是由3個(gè)電容組成的。由于e^兩
端是接地的，影響可以忽略，只有e^與q是并聯(lián)的。
第二、 MOS管的導(dǎo)通電阻的影響。由于MOS管開關(guān)并非理想開關(guān)，導(dǎo) 通時(shí)的電阻非零，它與積分電容形成RC回路，會(huì)影響電容的充放電時(shí)間， 如果導(dǎo)通電阻太大就會(huì)造成系統(tǒng)建立不完全等問題。另外，導(dǎo)通電阻還是 VG的函數(shù)，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的非線性誤差。改善方法:選用寬長(zhǎng)比比 較大的MOS管開關(guān)，或采用CMOS開關(guān)。
第三、時(shí)鐘饋通及采樣尖峰。MOS器件的柵源和柵漏極存在著寄生的
交疊電容。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通(^為高電平)時(shí)，eint本來應(yīng)被充電到^"，但交疊
電容會(huì)將時(shí)鐘低電平耦合到了 上。由圖中關(guān)系可得誤差電壓
0 GC +C
時(shí)鐘饋通引起的另一干擾就是采樣過程中出現(xiàn)電壓尖峰。由于開關(guān)的時(shí) 鐘變化很快，快速變化的^通過MOS管的交疊電容耦合到漏極和源極。根 據(jù)公式/二C"C7/d"將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流，該電流流經(jīng)電容和開關(guān)(電阻)就會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。這些電壓尖峰將通過積分器積累到輸 出端，影響積分器的精度。改善方法可采用寬長(zhǎng)比比較小的MOS管，以 減小交疊電容。
第四、電荷注入問題。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，柵氧下的反型層中將積累一 定數(shù)量的電荷，而當(dāng)MOS管截止時(shí)，溝道中所儲(chǔ)存的電荷就會(huì)從MOS管 的源極和漏極流出，這種現(xiàn)象稱為"^l道電荷注入"。流出的溝道電荷會(huì)存 儲(chǔ)在電容器上，對(duì)電容器電壓產(chǎn)生一定的誤差。注入到源極和漏極的電荷的 多少與源漏的阻抗和電位、時(shí)鐘的跳變時(shí)間都有關(guān)系。
圖2所示為現(xiàn)有Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖中
當(dāng)M3飽和時(shí)， 當(dāng)M1飽和時(shí)，
由(3)， (4)得:
低電壓工作時(shí)
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Ml、 M2的漏源電壓相等，電流增益系統(tǒng)誤差為0。輸出最小電壓
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因此，現(xiàn)有Cascode電流鏡電路中存在積分開關(guān)引起的誤差，導(dǎo)致MOS 管開關(guān)的非理想特性受到影響。
圖3是現(xiàn)有的MOS管開關(guān)電容積分電路示意圖，該電路的結(jié)構(gòu)包括P 型M0S管M1、 M2、 M3組成的Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極與電源相 連，M3的柵極同時(shí)與M2的柵極和M4的漏極相連，M3的漏極與M4的源極相連；M4的柵極與Ml的柵極相連，M4的漏極與參考電流源lref的輸出 端相連；M2的源極與電源相連，M2的漏極與M1的源極相達(dá)，Ml的漏極 通過開關(guān)K2與輸出端相連；P型M0S管M1、 M2、 M3、 M4的襯底均與電 源連接。該電路中與圖1和圖2的結(jié)構(gòu)原理類似，因此仍然存在前述的一系 列不足，還是沒有克服現(xiàn)有電路中存在的積分開關(guān)引起的誤差問題。
圖4為本發(fā)明的開關(guān)電路實(shí)施例1的示意圖，包括P型MOS管Ml、 M2、 M3、 M4組成的Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極與電源相連，M3的 柵極和M2的柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連，M3的柵極與M4的 漏極相連；M4的柵極與開關(guān)Kl 一端相連，M4的漏極與參考電流源lref的 輸出端相連；M2的源極與電源相連，M2的漏極與M1的源極相連；Ml的 柵極與開關(guān)K1的另一端相連，Ml的漏極與輸出端相連；P型MOS管Ml、 M2、 M3、 M4的襯底均與電源連接。本實(shí)施例1的開關(guān)電路與圖3的現(xiàn)有 積分電路相比，將開關(guān)Kl設(shè)置在Ml與M4之間。
圖5為本發(fā)明的開關(guān)電路實(shí)施例2的示意圖，包括P型MOS管Ml、 M2、 M3及M4 —起組成的Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，開關(guān)K3的兩端分別與M3 和M4連接，M3的源極與電源相連，M3的柵極在與M2的柵極相連的同時(shí) 還與開關(guān)K3的一端相連，M3的漏極與M4的源極相連；M4的柵極與Ml 的柵極相連，M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連的同時(shí)還與開關(guān)K3 的另一端相連r M2的源極與電源相連，M2的漏極與Ml的源極相連；Ml 的漏極接輸出端；P型MOS管Ml、 M2、 M3、 M4的襯底均與電源連接。 本實(shí)施例2的開關(guān)電路與圖3的現(xiàn)有積分電路相比，將開關(guān)K3設(shè)置在M3 與M4之間。
本發(fā)明在圖4和圖5中的實(shí)施例電路，若作為電流驅(qū)動(dòng)，可直接與負(fù)載相連，若作為電壓驅(qū)動(dòng)，Ml的漏極接積分電容。在本發(fā)明中，以電壓驅(qū)動(dòng) 方式為例說明它的工作原理。圖4和圖5使用恒流充電積分方式。原因是，
r —化.,
使用電壓源對(duì)電容進(jìn)行充電，積分電壓 A。"^int ，它是積分時(shí)間t
的非線性函數(shù)；使用電流源對(duì)電容充電積分，其 Lint ，它是時(shí)間t
的線性函數(shù)。在圖3中，MOS管開關(guān)K2帶來的誤差正如上文所敘述的幾個(gè) 方面。而圖4和圖5將開關(guān)放在電流鏡當(dāng)中，顯著克服了圖3方式中開關(guān)帶 來的各種影響。
本發(fā)明圖4實(shí)施例1的開關(guān)設(shè)在電流鏡當(dāng)中，在開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，
電流鏡的輸出電流由MOS管M2和M3決定， <formula>formula see original document page 8</formula> ，
雖然K1開關(guān)的時(shí)鐘饋通和溝道電荷注入會(huì)改變M1的柵極電壓，但是，只
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要Ml的柵極電壓^滿足DZ) ④ <formula>formula see original document page 8</formula>，輸出
電流Aw就不變。不過它的電流恒定不變要在輸出電壓小于 — F 化
本發(fā)明圖5實(shí)施例2的工作原理與圖4實(shí)施例l基本一致，略有不同的 是，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，實(shí)施例1只需要給M1的溝道現(xiàn)注入電荷，而實(shí)施例2 需要給Ml、 M2的溝道同時(shí)注入電荷，因此實(shí)施例2的電路開啟速度相對(duì)較 慢，但是這是一種固定延遲，可以通過補(bǔ)充電路進(jìn)行彌補(bǔ)。
圖6是圖3、圖4、圖5中的三種電路結(jié)構(gòu)的后仿真結(jié)果比較圖。從圖6 中看出，上述三種方式的積分電壓都能很好的線性增長(zhǎng)，只是在開關(guān)導(dǎo)通瞬間，圖3方式的C曲線顯示，積分電容上由于時(shí)鐘饋通效應(yīng)累積了一定的電
荷，使得積分電壓不能從0開始，導(dǎo)致它的實(shí)際測(cè)量值會(huì)比理論值高；而圖
4實(shí)施例1方式a曲線顯示，由于克服了開關(guān)噪聲的影響，它可以很好的從 0開始線性增長(zhǎng)；圖5實(shí)施例2方式b曲線顯示，雖然也克服了開關(guān)噪聲的 影響，但是需要先給兩個(gè)管子的溝道注入電荷，使之形成電流通路，因此開 啟速度相對(duì)慢了一些，導(dǎo)致它的實(shí)際測(cè)量值會(huì)比理論值低。
圖7是開關(guān)導(dǎo)通瞬間上述圖3、圖4、圖5中三種方式的積分開關(guān)各自 引起的尖峰電流示意圖，圖7b中曲線圖是圖3中的現(xiàn)有方式的仿真結(jié)果， 它的尖峰電流高達(dá)40uA;而圖7a中曲線圖是圖4實(shí)施例1的方式，圖7c 的曲線圖是圖5實(shí)施例2的方式，均只有2uA。
現(xiàn)有的電流開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常在開關(guān)動(dòng)作的時(shí)候，MOS管開關(guān)的時(shí) 鐘饋通和溝道注入會(huì)引起鏡像電流、電壓的變化，進(jìn)而引起積分電容上電壓 的變化。而本發(fā)明的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可以克服MOS管開關(guān)帶來的各種影響，積 分電容不受開關(guān)動(dòng)作的影響，積分電壓保持一致，這一結(jié)果與理論分析相一 致。
應(yīng)用實(shí)例l:空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路?？臻g光調(diào)制器的特征是非線 性反射譜線，超快的器件響應(yīng)速度，較低的功耗和較小的面積。高速，簡(jiǎn)小， 高分辨率，全擺幅的輸出電壓是空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路必須具備的基本性 能。而本發(fā)明的開關(guān)電容電路結(jié)構(gòu)完全可以滿足這些性能，采用本發(fā)明的開 關(guān)電容積分電路后，空間光調(diào)制器的像素單元的驅(qū)動(dòng)電路面積僅為 60um*60um，響應(yīng)速度為50KHz，調(diào)制灰度可達(dá)256級(jí)。
應(yīng)用實(shí)例2: OLED驅(qū)動(dòng)電路屬于電流驅(qū)動(dòng)方式，通過調(diào)節(jié)OLED上的 充電電流的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同的亮度。本發(fā)明也是恒流充電方式，在應(yīng)用于OLED驅(qū)動(dòng)時(shí)，只需把積分電容替換為OLED即可，通過調(diào)節(jié)電流鏡上的開 關(guān)，來控制充電電流的時(shí)間。
當(dāng)本發(fā)明的開關(guān)電容積分電路作為數(shù)模轉(zhuǎn)換-器使用時(shí)，和傳統(tǒng)的電流 型、電壓型、電荷型DAC相比，它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)首先、它既可以實(shí)現(xiàn) 線性轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)非線性轉(zhuǎn)換。其次、從轉(zhuǎn)換精度上來看，它可以實(shí)現(xiàn) 比電流型、電壓型、電荷型數(shù)模轉(zhuǎn)換器更高的精度。電流型、電壓型、電荷 型數(shù)模轉(zhuǎn)換器隨著精度的提高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功耗越來越大，所以較難 實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)換。而本發(fā)明的開關(guān)電容積分電路，不需改變電路結(jié)構(gòu)，只 要調(diào)節(jié)開關(guān)控制信號(hào)的脈沖寬度便實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換。第三、由于本發(fā) 明的開關(guān)電容電路結(jié)構(gòu)不需改變電路結(jié)構(gòu)，便可實(shí)現(xiàn)任意精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換， 因此它具有更大的通用性和應(yīng)用范圍。第四、本發(fā)明的開關(guān)電容電路，克服 了開關(guān)管帶來的各種影響，更適合于高精度的系統(tǒng)中。
當(dāng)本發(fā)明的開關(guān)電容積分電路作為驅(qū)動(dòng)電路使用時(shí)，該電路具有很強(qiáng)的 靈活性，去掉積分電容可以用于電流驅(qū)動(dòng)，加上積分電容，可用于電壓驅(qū)動(dòng)， 作為電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，可直接與負(fù)載相連；若作為電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，Ml的漏極接積 分電容；電流鏡的結(jié)構(gòu)不局限于Cascode結(jié)構(gòu)，任何一種電流增益系統(tǒng)誤差 為0的結(jié)構(gòu)均可；運(yùn)用脈寬控制的思想，控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn) 不同的積分電壓值。本發(fā)明的開關(guān)電容積分電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積小，速度快， 精度高，具有更大的通用性和應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1、一種MOS管開關(guān)電容積分電路，P型MOS管M1、M2、M3、M4組成Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極與電源相連，M3的柵極和M2的柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連，M3的柵極與M4的漏極相連；M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連；M2的源極與電源相連，M2的漏極與M1的源極相連M1的漏極與輸出端相連；P型MOS管M1、M2、M3、M4的襯底均與電源連接，其特征在于開關(guān)K1的兩端分別與M1的柵極和M4的柵極相連。
2、 一種MOS管開關(guān)電容積分電路，P型MOS管Ml、 M2、 M3及M4 一起組成Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3.的源極與電源相連，M3的柵極與M2的 柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連；M4的柵極與Ml的柵極相連， M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連；M2的源極與電源相連，M2的 漏極與M1的源極相連；Ml的漏極接輸出端；P型MOS管Ml、 M2、 M3、 M4的襯底均與電源連接，其特征在于開關(guān)K3的兩端分別與M3的柵極和 M4的漏極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MOS管開關(guān)電容積分電路，P型MOS管M1、M2、M3及M4一起組成Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)，M3的源極與電源相連，M3的柵極與M2的柵極相連，M3的漏極與M4的源極相連；M4的柵極與M1的柵極相連，M4的漏極與參考電流源lref的輸出端相連；M2的源極與電源相連，M2的漏極與M1的源極相連；M1的漏極接輸出端；P型MOS管M1、M2、M3、M4的襯底均與電源連接，開關(guān)K的兩端分別與M1的柵極和M4的柵極相連，或者開關(guān)K的兩端分別與M3的柵極和M4的漏極連接。本發(fā)明極大程度的提高了輸出精度；在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下，它既可以作為線性DAC使用，也可以作為非線性DAC使用，而且可以實(shí)現(xiàn)任意的轉(zhuǎn)換精度；它既可以用于電壓驅(qū)動(dòng)，也可以用于電流驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)H03K17/687GK101409546SQ20081023167
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者余寧梅, 蘭 吳 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)