模拟集成电路设计系列博客——6.3.3 动态匹配电流源

6.3.3 动态匹配电流源

在电流开关上使用动态技术是为了实现用于音频D/A转换器的高度良好匹配的电流源（大到16bit精度）[Schouwenaars,1988]。

这个方式被用于设计一个16-bit的音频D/A转换器，其中6位MSB通过温度计码实现。由于进度要求被限制在剩余位上，一个二进制阵列在他们的设计中被使用。构造63个精确匹配的电流源用于6位MSB的基本思路如下图所示：

此处我们设置所有的电流\(I_{di}\)为相同的精确值，独立于晶体管失配和电荷注入。为了完成这个高程度的匹配，每个电流源\(I_{di}\)都周期性的通过一个单独的参考电流源\(I_{ref}\)进行校准，通过使用移位寄存器。换而言之，一旦在\(I_{d1}\)上完成校准，相同的电流源\(I_{ref}\)用于设置下一个电流源\(I_{d2}\)，将其设置为\(I_{d1}\)的相同值，如此往复。在讨论校准如何完成之前，首先需要强调的是\(I_{di}\)并不需要精确等于\(I_{ref}\)，但是却需要精确相互匹配。因此，在校准阶段存在共模误差不是问题。同时，注意一共有64个电流源需要校准，尽管只有63个用于6位MSB。额外的电流源是为了让D/A转换器可以连续运行，尽管其中有一个电流源正在被校准。

校准的方法及如何使用一个电流源如下图所示：

对于\(I_{d1}\)，在校准时，电流源连接到参考电流\(I_{ref}\)，\(Q_1\)处于二极管连接模式。从而在寄生电容\(C_{gs}\)上产生必要的电压，使得\(I_{d1}\)等于\(I_{ref}\)。当\(S_1\)断开时，\(I_{d1}\)仍然保持接近等于\(I_{ref}\)，假定\(Q_1\)的漏源电压不发生改变，并且\(S_1\)上的时钟馈通与电荷注入效应很小。在正常系统使用时，栅极电压（以及电流）根据之前存储在寄生电容\(C_{gs}\)上的电压来决定。

一个主要的64个电流源匹配的限制因素来源于各个开关\(S_i\)上存在不同的开关馈通和电荷注入效益，由于不同的开关之间总是存在失配，最佳的使得所有电流源相等的方式是最小化总体的时钟馈通和电荷注入效益。这些非理想因素可以通过增大电容\(C_{gs}\)和偏置电压\(V_{GS}\)来实现（一个大的\(V_{GS}\)电压意味着任何电压差都只会引发一个更小的电流误差）。为了满足这些需求，一个\(0.9I_{ref}\)的电流源被并联施加在\(Q_1\)上，使得\(Q_1\)只需要提供一个接近\(0.1I_{ref}\)的电流。通过这种方式，可以使用一个更大，更低跨导的晶体管（大概\(W/L=1/8\)）。

最后，每个电流源必须在\(C_{gs}\)上的漏电导致电流源降低到0.5LSB之前进行重新校准（漏电速率按照注入区\(10pA/{um^2}\)来算）。幸运的是，有一个大的\(C_{gs}\)和\(V_{GS}\)可以使得校验的间隔时间可以变长（在[Schowenaars,1998]中每1.7ms进行重校验）。

许多额外的细节在论文中[Schouwenaars,1998]进行了讨论。例如，在校准时，一个p沟道输入共栅放大器被夹杂二极管连接环路上。这在动态开关电流电路控制\(Q_1\)的源漏电压时很典型（例如为了使得其独立于实际电流稳定，并使得其匹配于常规使用时的值）并且通过降低大\(I_{ref}\)总线上的寄生电容的影响来加速电路。同时，dummy开关被连接于\(S_1\)，通过部分减小电荷注入来帮助最小化时钟馈通。