CMOS模拟集成电路设计-ch12开关电容电路(阅读)课件

CMOS模拟集成电路设计开关电容电路11/21/20221CMOS模拟集成电路设计开关电容电路11/21/20221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11/21/20222提纲提纲1、概述11/21/20222提纲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11/21/20223概述1、概述CMOS连续时间反馈放大器的问题CMOS放大器为了有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ω>>(RFC2)-1时，AV≈-C1/C211/21/20224概述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011/21/20225概述开关电容电路采样阶段（a）：放大阶段（b）：（b）负反馈01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。11/21/20226概述开关电容电路特点：优点：11/21/20226概述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11/21/20227采样开关2、采样开关和电容2.1MOSFET开关电压传输MOS开关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。11/21/20228采样开关2.1MOSFET开关Vin的最高电压等于VDD-VTH12.2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11/21/20229采样开关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→∞11/21/202210采样开关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2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开11/21/202211采样开关2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开11/212.3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Vout11/21/202212采样开关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。11/21/202213采样开关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2.3精度问题（续）kT/C噪声11/21/202214采样开关2.3精度问题（续）kT/C噪声11/21/202214采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=L111/21/202215采样开关2.4电荷注入抵消方法一：“虚拟”开关可以抑制电荷注入，但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11/21/202216采样开关2.4电荷注入抵消（续）方法二：CMOS开关可以抑制电荷注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11/21/202217采样电容2.5采样电容下极板采样：上极板下极板好处：11/21/23、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－11/21/202218开关电容放大器3、开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器采样阶段（a）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。11/21/202219开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）沟道电荷注入的影响S2：引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11/21/202220开关电容放大器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，Ron2<<R0,且GmR0>>1，因此，Rx≈1/Gm采样模式下的时间常数采样模式下，11/21/202221开关电容放大器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，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。11/21/202222开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）速度问题放大模式下，在开始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简化公式，11/21/202223开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）速度问题（续）如果Cin<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：11/21/202224开关电容放大器3.2同相放大器采样阶段（b）：S1，S2闭合，S3断开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：11/21/202225开关电容放大器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11/21/202226开关电容放大器3.2同相放大器从采样到放大模式，S2比S1稍微早断开一3.2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，11/21/202227开关电容放大器3.2同相放大器（续）运放的增益和输入电容Cin为有限值精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11/21/202228开关电容放大器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3.3精确乘2电路C1=C2=C；11/21/202229开关电容放大器3.3精确乘2电路C1=C2=C；11/21/2022294、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11/21/202230开关电容积分器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。11/21/202231开关电容积分器开关电容积分器缺点：11/21/202231开关电容积分器开关电容积分器（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11/21/202232开关电容积分器开关电容积分器（续）对寄生参数不敏感的开关电容积分器采样模式CMOS模拟集成电路设计开关电容电路11/21/202233CMOS模拟集成电路设计开关电容电路11/21/20221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11/21/202234提纲提纲1、概述11/21/20222提纲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11/21/202235概述1、概述CMOS连续时间反馈放大器的问题CMOS放大器为了有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ω>>(RFC2)-1时，AV≈-C1/C211/21/202236概述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011/21/202237概述开关电容电路采样阶段（a）：放大阶段（b）：（b）负反馈01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。11/21/202238概述开关电容电路特点：优点：11/21/20226概述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11/21/202239采样开关2、采样开关和电容2.1MOSFET开关电压传输MOS开关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。11/21/202240采样开关2.1MOSFET开关Vin的最高电压等于VDD-VTH12.2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11/21/202241采样开关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→∞11/21/202242采样开关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2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开11/21/202243采样开关2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开11/212.3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Vout11/21/202244采样开关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。11/21/202245采样开关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2.3精度问题（续）kT/C噪声11/21/202246采样开关2.3精度问题（续）kT/C噪声11/21/202214采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=L111/21/202247采样开关2.4电荷注入抵消方法一：“虚拟”开关可以抑制电荷注入，但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11/21/202248采样开关2.4电荷注入抵消（续）方法二：CMOS开关可以抑制电荷注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11/21/202249采样电容2.5采样电容下极板采样：上极板下极板好处：11/21/23、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－11/21/202250开关电容放大器3、开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器采样阶段（a）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。11/21/202251开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）沟道电荷注入的影响S2：引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11/21/202252开关电容放大器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，Ron2<<R0,且GmR0>>1，因此，Rx≈1/Gm采样模式下的时间常数采样模式下，11/21/202253开关电容放大器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，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。11/21/202254开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）速度问题放大模式下，在开始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简化公式，11/21/202255开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）速度问题（续）如果Cin<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：11/21/202256开关电容放大器3.2同相放大器采样阶段（b）：S1，S2闭合，S3断开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：11/21/202257开关电容放大器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3.2同相放大器从采样到放大模式，