《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、CMOSCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计-ch12-ch12开关电容电路开关电容电路HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生提纲提纲n n1、概述n n2、采样开关n n3、开关电容放大器n n4、开关电容积分器7/25/20242提纲HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生1、概述、概述n nCMOSCMOS连续时间反馈放大器的问题连续时间反馈放大器的问题CMOSCMOS放大器为了有较大增益，需要放大器为了有较大增益，需要有很大的开环输出电阻有很大的开环输出电阻闭环增益不精确闭环增
2、益不精确7/25/20243概述HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n nCMOSCMOS连续时间反馈放大器的问题（续）连续时间反馈放大器的问题（续）采用电容代替反馈电阻采用电容代替反馈电阻电路呈现高通传输特性，所以电路呈现高通传输特性，所以不适合放大宽带信号不适合放大宽带信号只有当只有当(R(RF FC C2 2) )-1-1时，时，A AV V-C C1 1/C/C2 27/25/20244概述HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n开关电容电路开关电容电路采样阶段（采样阶段（
3、a a）：）：S S1 1，S S2 2闭合，闭合，S S3 3断开，断开，C C1 1上存储上存储的电荷为的电荷为V VininC C1 1放大阶段（放大阶段（b b）：）：S S1 1，S S2 2断开，断开，S S3 3闭合，通过闭合，通过C C2 2上的上的负反馈，负反馈，C C1 1上的电荷转到上的电荷转到C C2 2上，上，V VoutoutV VininC C1 1/C/C2 2（b）负反馈07/25/20245概述HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n开关电容电路开关电容电路特点：特点： 采样采样 放大阶段仅对采样电压
4、放大器放大阶段仅对采样电压放大器 状态的转换，导致电路的稳定状态的转换，导致电路的稳定性问题性问题优点：优点： V Voutout达到稳定后，通过达到稳定后，通过C C2 2的电流接近的电流接近0 0，即稳定后反，即稳定后反馈电容不会降低放大器的开环增益；馈电容不会降低放大器的开环增益； 电容更易实现；电容更易实现； 开关电容放大器在开关电容放大器在CMOSCMOS工艺中更容易实现；工艺中更容易实现；CMOSCMOS工艺具有简单开关和高输入阻抗，使得其成为工艺具有简单开关和高输入阻抗，使得其成为数据采数据采样样应用的主要选择。应用的主要选择。7/25/20246概述HIT Microelect
5、ronicsHIT Microelectronics王永生王永生2、采样开关和电容、采样开关和电容n n2.1 MOSFET2.1 MOSFET开关开关电压传输电压传输 MOSMOS开关可以双向传输开关可以双向传输 可以可以“ “跟踪跟踪” ”和和“ “冻结冻结” ”信号信号(“ (“零失调零失调” ”开关开关) ) MOSMOS开关大部分时间开关大部分时间工作在线性区，等效工作在线性区，等效一个电阻一个电阻 VinVin的的最高电压等于最高电压等于V VDDDD-V-VTHTHt=tt=t0 0时，饱和区时，饱和区当当V Voutout V VDDDD-V-VTHTH时，线性区时，线性区线性
6、区线性区7/25/20247采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.1 MOSFET2.1 MOSFET开关开关VinVin的的最高电压等于最高电压等于V VDDDD-V-VTHTH 当当VoutVout趋进趋进VDD-VVDD-VTHTH时，时，M1M1趋于截止。趋于截止。7/25/20248采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.2 2.2 速度问题速度问题采样速度的决定因素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采样电容：小的采样电
7、容可以提高采样速度 开关的导通电阻开关的导通电阻7/25/20249采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.2 2.2 速度问题（续）速度问题（续）采样速度的决定因素采样速度的决定因素 采样电容采样电容 开关的导通电阻开关的导通电阻输入电平的影响输入电平的影响NmosNmos：输入接近：输入接近V VDDDD-V-VTHNTHN时，时，RonRonPmosPmos：输入接近：输入接近|V|VTHPTHP| |时，时，RonRon7/25/202410采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelect
8、ronics王永生王永生n n2.2 2.2 速度问题（续）速度问题（续）CMOSCMOS互补开关互补开关保证同时断开保证同时断开7/25/202411采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.3 2.3 精度问题精度问题沟道电荷注入沟道电荷注入沟道电荷注入沟道电荷注入导通时，沟道中的导通时，沟道中的电荷电荷QQchch会在关断后会在关断后通过通过S S和和DD端流出。端流出。粗略地，假设一半电荷注入到粗略地，假设一半电荷注入到C CHH上，上，再考虑体效应的非线性，沟道电荷注再考虑体效应的非线性，沟道电荷注入将导致三种误差：
9、入将导致三种误差：增益误差；直流失调；非线性增益误差；直流失调；非线性Vout7/25/202412采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.3 2.3 精度问题（续）精度问题（续）时钟馈通时钟馈通时钟馈通时钟馈通时钟信号通过交叠时钟信号通过交叠电容耦合到采样电电容耦合到采样电容上。容上。7/25/202413采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.3 2.3 精度问题（续）精度问题（续）kT/CkT/C噪声噪声噪声噪声7/25/202414采样开关HIT
10、MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.4 2.4 电荷注入抵消电荷注入抵消方法一：方法一：“ “虚拟虚拟” ”开关开关可以抑制电荷注入，但不精确，可以抑制电荷注入，但不精确，此时，也可以抑制时钟馈通此时，也可以抑制时钟馈通粗略地，假设一半电荷注入到粗略地，假设一半电荷注入到C CHH上，上，得到，得到，WW2 2=0.5W=0.5W1 1，L L2 2=L=L1 17/25/202415采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.4 2.4 电荷注入抵消（续）电荷注入抵消（
11、续）方法二：方法二：CMOSCMOS开关开关可以抑制电荷注入，要求：可以抑制电荷注入，要求：但由于但由于NMOSNMOS和和PMOSPMOS的交叠电容不相等，的交叠电容不相等，只能部分消除时钟馈通只能部分消除时钟馈通7/25/202416采样开关HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n2.5 2.5 采样电容采样电容下极板采样：下极板采样：放大器的输入接采样放大器的输入接采样电容的上极板电容的上极板上极板下极板好处：好处： 减小减小X X点对地电容；点对地电容； 避免避免X X点注入衬底噪声点注入衬底噪声7/25/202417采样电容H
12、IT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生3、开关电容放大器、开关电容放大器n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器缓冲器采样阶段（采样阶段（a a）：）： S S1 1，S S2 2闭合，闭合，S S3 3断开断开V VoutoutV Vx x00，电容两端，电容两端V V0 0V Vinin（a）（b）放大阶段（放大阶段（b b）：）： S S1 1，S S2 2断开，断开，S S3 3闭合闭合V VoutoutV V0 0V Vinin7/25/202418开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Mi
13、croelectronics王永生王永生n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器（续）缓冲器（续）沟道电荷注入的影响沟道电荷注入的影响S S2 2：引入失调，可以通过差分工：引入失调，可以通过差分工作方式消除作方式消除从采样到放大模式，从采样到放大模式， S S2 2比比S S1 1稍微早断稍微早断开一会儿开一会儿，C CHH上的电荷为上的电荷为C CHHV V0 0S S1 1：如果：如果S S2 2首先断开（采样时刻），首先断开（采样时刻），由于由于X X点点“ “悬空悬空” ”，采样电容上的电荷，采样电容上的电荷保持不变，因此，保持不变，因此， S S1 1的电荷不会带
14、来的电荷不会带来误差误差S S3 3：S S3 3的沟道电荷来自运放，不的沟道电荷来自运放，不会产生误差。会产生误差。7/25/202419开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器（续）缓冲器（续）精度问题精度问题运放的增益和输入电容运放的增益和输入电容C Cinin为有为有限值限值放大模式下，放大模式下，V VX X不等于不等于0 0，从，从CHCH上抽取上抽取C CininV VX X电荷电荷7/25/202420开关电容放大器HIT Microelectronics
15、HIT Microelectronics王永生王永生n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器（续）缓冲器（续）速度问题速度问题X X处的等效对地电阻处的等效对地电阻通常，通常，R Ron2on2R11，因，因此，此，R Rx x1/G1/Gmm采样模式下的时间常数采样模式下的时间常数采样模式下，采样模式下，7/25/202421开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器（续）缓冲器（续）速度问题速度问题放大模式下，在开始时，运放的输入会得到一个很放大模式下
16、，在开始时，运放的输入会得到一个很大的值（大的值（-V-V0 0），产生转换，所以，放大开始一直），产生转换，所以，放大开始一直到运放进入线性放大区时，按线性模型计算。到运放进入线性放大区时，按线性模型计算。7/25/202422开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.1 3.1 单位增益采样单位增益采样/ /缓冲器（续）缓冲器（续）速度问题（续）速度问题（续）如果如果C CininCC CHH和和C Cinin简简化公式，化公式，7/25/202423开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Mi
17、croelectronics王永生王永生n n3.2 3.2 同相放大器同相放大器采样阶段（采样阶段（b b）：）： S S1 1，S S2 2闭合，闭合，S S3 3断开断开V VoutoutV Vx x00，电容两端，电容两端V V0 0V Vinin放大阶段（放大阶段（c c）：）： S S1 1，S S2 2断开，断开，S S3 3闭合闭合V VoutoutV Vin0in0(C1/C2)(C1/C2)增益：增益：7/25/202424开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.2 3.2 同相放大器同相放大器采用
18、适当时序，可以避免电采用适当时序，可以避免电荷注入荷注入从采样到放大模式，从采样到放大模式， S S2 2比比S S1 1稍微稍微早断开一会儿早断开一会儿X X只受只受S S2 2注入电荷的影响，注入电荷的影响，V Voutout的最终值与的最终值与S S1 1和和S S3 3无关无关沟道电荷注入的影响：沟道电荷注入的影响：7/25/202425开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.2 3.2 同相放大器同相放大器从采样到放大模式，从采样到放大模式， S S2 2比比S S1 1稍微稍微早断开一会儿早断开一会儿S2
19、turns offS S2 2断开时输入电源为断开时输入电源为Vin0;Vin0;S S1 1断开注入断开注入 q1q1，P P点变化点变化 V= V= q1/C1;q1/C1;S S3 3导通后，导通后，V Vp p降为降为0 0，则，则V Vp p的的总变化量为总变化量为Vin0Vin0；V Vp p的最终值与的最终值与S S1 1和和S S3 3无关无关7/25/202426开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.2 3.2 同相放大器（续）同相放大器（续）运放的增益和输入电容运放的增益和输入电容C Cinin为
20、有限值为有限值精度问题：精度问题：对于大的对于大的AvAv，7/25/202427开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n3.2 3.2 同相放大器（续）同相放大器（续）采样模式下的情况与单位增益采样器一致；采样模式下的情况与单位增益采样器一致；速度问题：速度问题：放大模式下，只需将放大模式下，只需将Vin C1 CinVin C1 Cin用戴维南等效处理，便可类似单用戴维南等效处理，便可类似单位增益采样器一样处理位增益采样器一样处理7/25/202428开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Mic
21、roelectronics王永生王永生n n3.3 3.3 精确乘精确乘2 2电路电路C C1 1=C=C2 2=C=C；7/25/202429开关电容放大器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生4、开关电容积分器、开关电容积分器n n连续时间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n n开关电容等效电阻开关电容等效电阻7/25/202430开关电容积分器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n开关电容积分器开关电容积分器缺点：缺点： 与输入有关的与输
22、入有关的S1S1的电荷注入使的电荷注入使C1C1存存储的电荷产生非线性；储的电荷产生非线性； 结点结点P P上的非线性电容上的非线性电容C Cj j引入了非线引入了非线性。性。7/25/202431开关电容积分器HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生n n开关电容积分器（续）开关电容积分器（续）对寄生参数不敏感的开关电容积对寄生参数不敏感的开关电容积分器分器采样模式：采样模式：S S1 1，S S3 3闭合，闭合，S2S2和和S4S4断开断开采样采样积分积分向积分模式转换：向积分模式转换：S S3 3先断开先断开 S S1 1断开断开 S2 S2和和S4S4导通导通7/25/202432开关电容积分器结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！33
