《CMOS模拟集成电路设计_ch12开关电容电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS模拟集成电路设计_ch12开关电容电路（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020 6 5 1 CMOS模拟集成电路设计 开关电容电路 2020 6 5 提纲 2 提纲 1 概述2 采样开关3 开关电容放大器4 开关电容积分器 2020 6 5 概述 3 1 概述 CMOS连续时间反馈放大器的问题 CMOS放大器为了有较大增益 需要有很大的开环输出电阻 闭环增益不精确 2020 6 5 概述 4 CMOS连续时间反馈放大器的问题 续 采用电容代替反馈电阻 电路呈现高通传输特性 所以不适合放大宽带信号 只有当 RFC2 1时 AV C1 C2 2020 6 5 概述 5 开关电容电路 采样阶段 a S1 S2闭合 S3断开 C1上存储的电荷为VinC1 放大阶段 b
2、S1 S2断开 S3闭合 通过C2上的负反馈 C1上的电荷转到C2上 Vout VinC1 C2 2020 6 5 概述 6 开关电容电路 特点 采样放大阶段仅对采样电压放大器状态的转换 导致电路的稳定性问题 优点 Vout达到稳定后 通过C2的电流接近0 即稳定后反馈电容不会降低放大器的开环增益 电容更易实现 开关电容放大器在CMOS工艺中更容易实现 CMOS工艺具有简单开关和高输入阻抗 使得其成为数据采样应用的主要选择 2020 6 5 采样开关 7 2 采样开关和电容 2 1MOSFET开关 电压传输 MOS开关可以双向传输 可以 跟踪 和 冻结 信号 零失调 开关 MOS开关大部分时间
3、工作在线性区 等效一个电阻 Vin的最高电压等于VDD VTH t t0时 饱和区当Vout VDD VTH时 线性区 线性区 2020 6 5 采样开关 8 2 1MOSFET开关 Vin的最高电压等于VDD VTH当Vout趋进VDD VTH时 M1趋于截止 2020 6 5 采样开关 9 2 2速度问题 采样速度的决定因素 采样电容 小的采样电容可以提高采样速度 开关的导通电阻 2020 6 5 采样开关 10 2 2速度问题 续 采样速度的决定因素 采样电容 开关的导通电阻 输入电平的影响 Nmos 输入接近VDD VTHN时 Ron Pmos 输入接近 VTHP 时 Ron 2020
4、 6 5 采样开关 11 2 2速度问题 续 CMOS互补开关 保证同时断开 2020 6 5 采样开关 12 2 3精度问题 沟道电荷注入 导通时 沟道中的电荷Qch会在关断后通过S和D端流出 粗略地 假设一半电荷注入到CH上 再考虑体效应的非线性 沟道电荷注入将导致三种误差 增益误差 直流失调 非线性 2020 6 5 采样开关 13 2 3精度问题 续 时钟馈通 时钟信号通过交叠电容耦合到采样电容上 2020 6 5 采样开关 14 2 3精度问题 续 kT C噪声 2020 6 5 采样开关 15 2 4电荷注入抵消 方法一 虚拟 开关 可以抑制电荷注入 但不精确 此时 也可以抑制时钟
5、馈通 粗略地 假设一半电荷注入到CH上 得到 W2 0 5W1 L2 L1 2020 6 5 采样开关 16 2 4电荷注入抵消 续 方法二 CMOS开关 可以抑制电荷注入 要求 但由于NMOS和PMOS的交叠电容不相等 只能部分消除时钟馈通 2020 6 5 采样电容 17 2 5采样电容 下极板采样 放大器的输入接采样电容的上极板 上极板 下极板 好处 减小X点对地电容 避免X点注入衬底噪声 2020 6 5 开关电容放大器 18 3 开关电容放大器 3 1单位增益采样 缓冲器 采样阶段 a S1 S2闭合 S3断开Vout Vx 0 电容两端V0 Vin 放大阶段 b S1 S2断开 S
6、3闭合Vout V0 Vin 2020 6 5 开关电容放大器 19 3 1单位增益采样 缓冲器 续 沟道电荷注入的影响 S2 引入失调 可以通过差分工作方式消除 从采样到放大模式 S2比S1稍微早断开一会儿 CH上的电荷为CHV0 S1 如果S2首先断开 采样时刻 由于X点 悬空 采样电容上的电荷保持不变 因此 S1的电荷不会带来误差 S3 S3的沟道电荷来自运放 不会产生误差 2020 6 5 开关电容放大器 20 3 1单位增益采样 缓冲器 续 精度问题 运放的增益和输入电容Cin为有限值 放大模式下 VX不等于0 从CH上抽取CinVX电荷 2020 6 5 开关电容放大器 21 3
7、1单位增益采样 缓冲器 续 速度问题 X处的等效对地电阻 通常 Ron2 1 因此 Rx 1 Gm 采样模式下的时间常数 采样模式下 2020 6 5 开关电容放大器 22 3 1单位增益采样 缓冲器 续 速度问题 放大模式下 在开始时 运放的输入会得到一个很大的值 V0 产生转换 按照大信号行为分析 按运放的转换速率计算 当放大器进入线性区后 采用线性模型计算 2020 6 5 开关电容放大器 23 3 1单位增益采样 缓冲器 续 速度问题 续 如果Cin CL及CH 上式简化为CL Gm 在线性放大阶段 将CH上的电荷等效为一个电压源Vs 计算传输函数 并考虑GmR0CH CH和Cin简化
8、公式 X点的寄生电容 Cin 会影响速度和精度 因此采样 下极板采样 2020 6 5 开关电容放大器 24 3 2同相放大器 采样阶段 b S1 S2闭合 S3断开Vout Vx 0 电容两端V0 Vin 放大阶段 c S1 S2断开 S3闭合Vout Vin0 C1 C2 增益 2020 6 5 开关电容放大器 25 3 2同相放大器 采用适当时序 可以避免电荷注入 从采样到放大模式 S2比S1稍微早断开一会儿 X只受S2注入电荷的影响 Vout的最终值与S1和S3无关 沟道电荷注入的影响 2020 6 5 开关电容放大器 26 3 2同相放大器 从采样到放大模式 S2比S1稍微早断开一会
9、儿 S2断开时输入电源为Vin0 S1断开注入 q1 P点变化 V q1 C1 S3导通后 Vp降为0 则Vp的总变化量为 Vin0 Vp的最终值与S1和S3无关 2020 6 5 开关电容放大器 27 3 2同相放大器 续 运放的增益和输入电容Cin为有限值 精度问题 对于大的Av 2020 6 5 开关电容放大器 28 3 2同相放大器 续 采样模式下的情况与单位增益采样器一致 速度问题 放大模式下 只需将VinC1Cin用戴维南等效处理 便可类似单位增益采样器一样处理 同样 X点的寄生电容 Cin 会影响速度和精度 因此采样 下极板采样 2020 6 5 开关电容放大器 29 3 3精确
10、乘2电路 C1 C2 C 2020 6 5 开关电容积分器 30 4 开关电容积分器 连续时间积分器 从A流向B的平均电流等于在一个时钟周期内电荷的转移量 开关电容等效电阻 2020 6 5 开关电容积分器 31 开关电容积分器 缺点 与输入有关的S1的电荷注入使C1存储的电荷产生非线性 结点P上的非线性电容Cj引入了非线性 2020 6 5 开关电容积分器 32 开关电容积分器 续 对寄生参数不敏感的开关电容积分器 采样模式 S1 S3闭合 S2和S4断开 采样 积分 向积分模式转换 S3先断开 S1断开 S2和S4导通 S3先被断开 s1 s2的电荷注入不会影响电路 S3 s4的非线性电容的两端电压变化近似为0 因此寄生的非线性电容影响和小 2020 6 5 小结 33 小结 1 采样开关沟道电荷注入时钟馈通2 采样电容下极板采样3 开关电容放大器原理 采样 放大的开关顺序 消除电荷注入4 开关电容积分器原理 开关电容 电阻
