CMOS模拟集成电路设计_ch13非线性与不匹配

HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
不匹配
19
2.3 失调消除技术（续）
输入失调存储 需要专用的失调消除周期 较输出失调存储，可以用于较高电压增益的放大 器中 S3，S4断开时，电荷注入失配可能会使放大器输 S3，S4断开时，电荷注入失配可能会使放大器输 出饱和
HIT Microelectronics
2011-10-26
非线性
5
1.1 概述（续）
非线性的度量 方法一：实际特性曲线与理 想曲线的最大偏差∆V与最大 想曲线的最大偏差∆V与最大 输出值归一化值。 方法二：输入施加正弦信号，测量输出，将所有谐 波能量（除去基频）之和用基频能量来归一化，这 样的度量称为“总谐波失真” THD） 样的度量称为“总谐波失真”（THD）
[VOS A1 A2 /( A2 Aaux )]Aaux
S3S4断开时
信号通路上存在两个电压增益级 放大器A 放大器A1与 HIT Microelectronics Aaux的输出电压是很难相加的
王永生
2011-10-26
不匹配
21
2.3 失调消除技术（续）
辅助放大级消除放大器失调 电流相加 消除周期
HIT Microelectronics 王永生
CMOS模拟集成电路设计 CMOS模拟集成电路设计
非线性与不匹配
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2011-10-26
提纲
2
提纲
1、非线性 2、不匹配
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
V 电压为V 电压为V1的电容 Q (V 1 ) = ∫0 1 CdV 非线性电容 C = C0 (1 + α1V + α 2V 2 + ...)
例，对于开关电容同相放大器， C1 = MC0 (1 + α1V ) C 2 = C0 (1 + α1V )
V 2 放大模式初期， Q 1 = ∫0 in 0 C 1 dV = MC 0 V in 0 + MC 0 α 1 V in 0
V out ≈ MV in 0 + (1 − M )
Mα1 2 V in 0 2
王永生
2011-10-26
非线性
10
1.5 线性化技术
“全局”负反馈←→稳定性、稳定时间 全局”负反馈←→稳定性、稳定时间 源级负反馈 单端电路，忽略体效应
Av = Gm RD = gm RD 1 + g m Rs
线性度←→增益、噪声 线性度←→增益、噪声 差动对中的源级负反馈 a电路消耗ISSRS/2电压余度 电路消耗I /2电压余度 b电路没有上述问题，但 是产生了较高噪声、失调
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
非线性
11
1.5 线性化技术（续）
VDS恒定的工作在线性区输入管的差动对 恒定的工作在线性区输入管的差动对
1 W 2 I D = µCox 2(VGS − VTH )VDS − VDS 2 L
[
]
缺点： 跨导小 输入共模电平必须控制 M3、M4及放大器产生更大的噪声 M3、M4及放大器产生更大的噪声
非线性
3
1、非线性
1.1 概述
电路的非线性可以看成是信号转移特性的斜率以及小信号 增益随输入电平的变化
HIT Microelectronics
对于小的x (t)=α 对于小的x，y(t)=α1x(t)
王永生
2011-10-26
非线性
4
1.1 概述（续）
HIT MicroΒιβλιοθήκη lectronics王永生
王永生
2011-10-26
不匹配
17
2.2 不匹配对电路性能的影响（续）
偶次失真 失配降低了对称性，引入了有限 的偶次非线性。
对于差动电路，x 对于差动电路，x1=-x2,
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
不匹配
18
2.3 失调消除技术
输出失调存储
需要专用的失调消除周期 S3，S4没有电荷注入失配 S3，S4没有电荷注入失配 Av不能太大，否则AvVOS会使放 不能太大，否则A 大器输出饱和, 通常A 大器输出饱和, 通常Av<10
王永生
2011-10-26
不匹配
20
2.3 失调消除技术（续）
辅助放大级消除放大器失调 需要专用的失调消除周期 信号通路中没有电容
VOS A1
VOS A1 = V1 Aaux
V1？
VOS A1 A2 /( A2 Aaux )
VOS A1 A2 /(1+ A2 Aaux)
误差！ S3S4闭 合时， 形成反 馈回路
非线性
8
1.3 负反馈对非线性的影响（续）
α2 b是微小量
对比于没有负反馈时，
b α 2V m / 2 α 2V m = = α1V m 2α1 a
2
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
非线性
9
1.4 电容器的非线性
线性电容 Q = CV 依赖电压的电容 dQ = CdV
[Gm1Vos1 −Gm2(Vout −Vos2)]R =Vout
S3，S4断开后 S3，S4断开后
Vos,tot Vos1Gm1 − (Vout− −Vos2 )Gm2 Vos1 Vos2Gm2 = = + Gm1 1 + Gm2 R (1 + Gm2 R)Gm1
S3, S4断开注入的电荷注入失配会产生一个不能被校正的误差电压
HIT Microelectronics 王永生
2011-10-26
非线性
12
1.5 线性化技术（续）
“后校正” 后校正”
I out = f (Vin ) (V
Vout = f −1 ( I in )
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
不匹配
13
2、不匹配
2.1 机理
1 W I D = µCox (VGS − VTH ) 2 2 L
更大的器件，失配更小
∆VTH =
KVTH WL
KK W ∆( µCox ) = L WL
KVTH，KK是比例系数
HIT Microelectronics 王永生
2011-10-26
不匹配
14
2.2 不匹配对电路性能的影响
更低的共模抑制 有限偶次失真 直流失调 Vin=0, Vout≠0
非线性
7
1.3 负反馈对非线性的影响
负反馈可以提高系统的线性度 考察一个“轻度非线性” 考察一个“轻度非线性”系 统，y≈ 统， ≈α1x+ α2x2 施加信号x )=V cosωt 施加信号x(t)=Vmcosωt y(t)
a HIT Microelectronics
b 王永生
2011-10-26
2
放大模式终止时，
V Q 2 = ∫0 out C 2 dV = C 0 V out + C 0
α1
2
2 V out
电荷守恒，得到 V = 1 − 1 + 1 + M α 2 V 2 + 2 M α V out 1 in 0 1 in 0
α1

HIT Microelectronics
对于三阶非线性
HIT Microelectronics 王永生
2011-10-26
非线性
6
1.2 差动电路的非线性
差动电路的输入输出特性f 差动电路的输入输出特性f(-x)=-f(x)
差动信号驱动的差动电路不会产生偶次谐波 →↑线性度 →↑线性度
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
HIT Microelectronics
王永生
2011-10-26
不匹配
15
2.2 不匹配对电路性能的影响（续）
R 直流失调 差动对的失调 忽略µC 忽略µCox的失配 VTH, (W/L)
负载电阻的失配和晶体管尺寸的失配对失调的影响 平衡过驱动电压增大而增大 随平衡过驱动电压增大而增大 阈值电压失配直接折合到输入
HIT Microelectronics 王永生
2011-10-26
不匹配
16
2.2 不匹配对电路性能的影响（续）
直流失调 电流源的失调
ID = 1 W µCox (VGS − VTH ) 2 2 L
忽略µC 忽略µCox的失配
为使电流失调最小，必须使过驱动电压达到最大。
HIT Microelectronics