CMOS模拟集成电路设计_ch12开关电容电路

CMOS模拟集成电路设计开关电容电路2020/6/17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2020/6/17概述31、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2020/6/17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1112112sCRsCRsCsCRAFFFv只有当ω(RFC2)-1时，AV≈-C1/C22020/6/17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）：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（b）负反馈02020/6/17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。2020/6/17采样开关72、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开关大部分时间工作在线性区，等效一个电阻Vin的最高电压等于VDD-VTHt=t0时，饱和区当Vout≤VDD-VTH时，线性区线性区2020/6/17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。2020/6/17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2020/6/17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→∞2020/6/17采样开关11•2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开2020/6/17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Vout2020/6/17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。2020/6/17采样开关14•2.3精度问题（续）kT/C噪声CkTVn/22020/6/17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，也可以抑制时钟馈通粗略地，假设一半电荷注入到CH上，得到，W2=0.5W1，L2=L12020/6/17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：)()(2211THPinoxTHNinCKoxVVCLWVVVCLW但由于NMOS和PMOS的交叠电容不相等，只能部分消除时钟馈通2020/6/17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2020/6/17开关电容放大器183、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（a）（b）放大阶段（b）：S1，S2断开，S3闭合Vout＝V0＝Vin－2020/6/17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CHV0S1：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。2020/6/17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HXinHCHCVCVCV/)(0放大模式下，VX不等于0，从CH上抽取CinVX电荷2020/6/17开关电容放大器21•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，Ron2R0,且GmR01，因此，Rx≈1/Gm采样模式下的时间常数采样模式下，2020/6/17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。2020/6/17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）会影响速度和精度，因此采样“下极板采样”2020/6/17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：21CCVVinout2020/6/17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：2020/6/17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稍微早断开一会儿S2turnsoffS2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2020/6/17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，2020/6/17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”2020/6/17开关电容放大器29•3.3精确乘2电路C1=C2=C；ininoutVCCVV222020/6/17开关电容积分器304、开关电容积分器•连续时间积分器)()(1BACKsCKBAsABVVfCfVVCI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2020/6/17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。2020/6/17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2020/6/17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