CMOS模拟集成电路设计ch开关电容电路实用.pptx

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1、2023/2/211提纲1、概述2、采样开关3、开关电容放大器4、开关电容积分器第1页/共32页2023/2/2121、概述CMOS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益不精确第2页/共32页2023/2/213CMOS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 2第3页/共

2、32页2023/2/214开关电容电路采样阶段（采样阶段（a a）：）：S S1 1，S S2 2闭合，闭合，S S3 3断开，断开，C C1 1上存上存储的电荷为储的电荷为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上上的负反馈，的负反馈，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0第4页/共32页2023/2/215开关电容电路特点：特点：采样采样 放大阶段仅对采样电压放大器放大阶段仅对采样电压放大器 状态的转

3、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，使得其成为数据采样数据采样应用的主要选择。应用的主要选择。第5页/共32页2023/2/2162、采样开关和电容2.1 MOSFET开关电压传输电压传输 MO

4、SMOS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开关大部分时开关大部分时间工作在线性区，等间工作在线性区，等效一个电阻效一个电阻 VinVin的最高电压等于的最高电压等于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，线性区线性区线性区第6页/共32页2023/2/2172.1 MOSFET开关VinVin的最高电压等于的最高电压等于V VDDDD-V-VTHTH 当当VoutVout趋进趋进VDD-VVDD-VTHTH时，时，M

5、1M1趋于截止。趋于截止。第7页/共32页2023/2/2182.2 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：小的采样电容可以提高采样速度 开关的导通电阻开关的导通电阻第8页/共32页2023/2/2192.2 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，RonRon第9页/共32页2023/2/21102

6、.2 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第10页/共32页2023/2/21112.3 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D D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 CH H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：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Vout第11页/共32页2023/2/21122.3 精度问题（续）时钟馈通时钟馈

7、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。第12页/共32页2023/2/21132.3 精度问题（续）kT/CkT/C噪声噪声噪声噪声第13页/共32页2023/2/21142.4 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 CH H上，上，得到，得到，WW2 2=0.5W=0.5W1 1，L L2 2=L=L1 1第14页/共32页2023/2/21152.4 电荷注入抵消（续

8、）方法二：方法二：CMOSCMOS开开关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的交叠电容不相的交叠电容不相等，只能部分消除时钟馈通等，只能部分消除时钟馈通第15页/共32页2023/2/21162.5 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第16页/共32页2023/2/21173、开关电容放大器3.1 单位增益采样/缓冲器采样阶段（采样阶段（a a）：）：S S1 1，S S2

9、 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 Vinin第17页/共32页2023/2/21183.1 单位增益采样/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稍微早稍微早断开一会儿断开一会儿，C CH H上的电荷为上的电荷为C CH H

10、V 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，采样电容上的电荷保持不变，因此，荷保持不变，因此，S S1 1的电荷不会带的电荷不会带来误差来误差S S3 3：S S3 3的沟道电荷来自运放，的沟道电荷来自运放，不会产生误差。不会产生误差。第18页/共32页2023/2/21193.1 单位增益采样/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为为有限值有限值放大模式下，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

11、电荷电荷第19页/共32页2023/2/21203.1 单位增益采样/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，第20页/共32页2023/2/21213.1 单位增益采样/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，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

12、入线性放大区时，按线性模型计算。第21页/共32页2023/2/21223.1 单位增益采样/缓冲器（续）速度问题（续）速度问题（续）如果如果C CininCC CH H和和C Cinin简简化公式，化公式，第22页/共32页2023/2/21233.2 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断断开开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：

13、增益：第23页/共32页2023/2/21243.2 同相放大器采用适当时序，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稍稍微早断开一会儿微早断开一会儿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：第24页/共32页2023/2/21253.2 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稍稍微早断开一会儿微早断开一会儿S2 turns offS S2 2断开时输入电源为断

14、开时输入电源为Vin0;Vin0;S S1 1断开注入断开注入 q1q1，P P点变点变化化 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无关无关第25页/共32页2023/2/21263.2 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为有限为有限值值精度问题：精度问题：对于大的对于大的AvAv，第26页/共32页2023/2/21273.2 同相放大器（续）采样模式下的情况与单位增益采样器一致；采样模式

15、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第27页/共32页2023/2/21283.3 精确乘2电路C C1 1=C=C2 2=C=C；第28页/共32页2023/2/21294、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n n开关电容等效电阻开关电容等效电阻第29页/共32页2023/2/2130开关电容积分器缺点：缺点：与输入有关的与输入有关的S1S1的电荷注入使的电荷注入使C1C1存储的电荷产生非线性；存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引入了非引入了非线性。线性。第30页/共32页2023/2/2131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 S2S2和和S4S4导通导通第31页/共32页2023/2/2132感谢您的欣赏！第32页/共32页