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1、CMOS模拟集成电路设计,开关电容电路,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,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,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,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）： S1，S2断开，S3闭合，通过C2上的负反馈，C1上的电荷转到C2上， VoutVinC1/C2,开关电容电路,特点
2、： 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。,2、采样开关和电容,2.1 MOSFET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VoutVDD-VTH时，线性区,线性区,2.1 MOSFET开关,
3、Vin的最高电压等于VDD-VTH 当Vout趋进VDD-VTH时，M1趋于截止。,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,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,2.2 速度问题（续）,CMOS互补开关,保证同时断开,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
4、调；非线性,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。,2.3 精度问题（续）,kT/C噪声,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，也可以抑制时钟馈通,粗略地，假设一半电荷注入到CH上，,得到，W2=0.5W1，L2=L1,2.4 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,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,3、开关电容放大器,3.1 单位增
5、益采样/缓冲器,采样阶段（a）： S1，S2闭合，S3断开 VoutVx0，电容两端V0Vin,放大阶段（b）： S1，S2断开，S3闭合 VoutV0Vin,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。,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C
6、H上抽取CinVX电荷,3.1 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，Ron21，因此，Rx1/Gm,采样模式下的时间常数,采样模式下，,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。,3.1 单位增益采样/缓冲器（续）,速度问题（续）,如果CinCL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GmR0CHCH和Cin简化公式，,X点的寄生电容（Cin）会
7、影响速度和精度，因此采样“下极板采样”,3.2 同相放大器,采样阶段（b）： S1，S2闭合，S3断开 VoutVx0，电容两端V0Vin,放大阶段（c）： S1，S2断开，S3闭合 VoutVin0(C1/C2),增益：,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：,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Vin
8、0； Vp的最终值与S1和S3无关,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，,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Vin C1 Cin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”,3.3 精确乘2电路,C1=C2=C；,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,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。,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,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,
