第14章MOS开关电容电路
mos开关电路原理图
mos开关电路原理图MOS开关电路原理图。
MOS开关电路是一种常用的电子电路，它具有高速开关和低功耗的特点，广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子领域。
本文将介绍MOS开关电路的原理图及其工作原理。
MOS开关电路由MOS管组成，MOS管是一种场效应晶体管，由金属氧化物半导体构成。
MOS管有N沟道型和P沟道型之分，分别用于NMOS和PMOS开关电路。
NMOS开关电路的原理图如下图所示：[图1，NMOS开关电路原理图]在NMOS开关电路中，当输入端施加高电平时，MOS管导通，输出端接地；当输入端施加低电平时，MOS管截止，输出端高阻。
PMOS开关电路的原理图如下图所示：[图2，PMOS开关电路原理图]在PMOS开关电路中，当输入端施加低电平时，MOS管导通，输出端接地；当输入端施加高电平时，MOS管截止，输出端高阻。
MOS开关电路的工作原理是基于MOS管的导通特性。
当MOS管的栅极施加一定电压时，形成电场，使得沟道导电。
通过控制栅极电压，可以实现MOS管的导通和截止，从而实现开关功能。
MOS开关电路具有高速开关和低功耗的特点，适用于数字信号处理、模拟信号开关和功率控制等领域。
在数字电路中，MOS开关电路可以实现逻辑门、触发器和寄存器等功能；在模拟电路中，MOS开关电路可以实现信号开关、模拟开关和运算放大器等功能；在功率电子领域，MOS开关电路可以实现电源开关、逆变器和变换器等功能。
总之，MOS开关电路是一种功能强大的电子电路，具有广泛的应用前景。
通过合理设计和优化，可以实现高性能、低功耗的电子系统。
希望本文对MOS开关电路的原理和应用有所帮助，谢谢阅读！。
MOS管开关电路图九种简单的简易详解
MOS管开关电路图九种简单的简易详解
今天我们分享的是，MOS管开关电路图九种简单的简易详解，请看下方
第一种：mos管开关电路图
MOS管的开关特性
静态特性
MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。
由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。
工作特性如下：
※uGS<开启电压UT：MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于“断开”状态，其等效电路如下图所示。
※ uGS>开启电压UT:MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。
其中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻。
输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如果rDS>>RD，则uDS≈0V，MOS管处于“接通”状态，其等效电路如上图(c)所示。
动态特性
MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。
下图(a)和
(b)分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。
九种简易mos管开关电路图
九种简易mos管开关电路图MOS管种类和结构MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。
至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。
对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS.原因是导通电阻小，且容易制造。
所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS.下面的介绍中，也多以NMOS为主。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。
寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。
在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。
这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。
可以在MOS管关断时为感性负载的电动势提供击穿通路从而避免MOS管被击穿损坏。
顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
MOS管导通特性导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。
但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS.MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。
选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。
开关电容电路
ic ( t )
c 2 C (C1 Cc2 ) f c 1 C2
7.1.2 基本开关电容单元
3. 开关电容模拟电阻的特点 开关电容可以模拟电阻，这种模拟电阻与无源电阻的差别有两个方面： ①开关电容两端口之间流通的是电荷，而无源电阻流通的是电流；②开 关电容转移的电荷量与两端口之间不同时刻的电压有关，而无源电阻流 通的电流与两端同一时刻的电压有关。另外，开关电容模拟电阻还具有 以下的特点： (1)开关电容的等效电阻与时钟频率有关，通过改变时钟频率即可改变 其等效电阻值，这对程控电阻、程控滤波器等都很有用。 (2)节省芯片面积。若电容为lpF，时钟1MHz，则等效电阻为1MΩ 。如 果用双层多晶硅电容，制作lpF电容只需要2272μm2芯片面积。如果用扩散 电阻，设其方块电阻为200 Ω ／口，制作1MΩ的电阻需要5000方块。如果 采用2 μ m工艺，电阻的长度为10000 μ m，芯片面积为20000 μ m2。 (3)时间常数是设计滤波器时必不可少的参数。等于电阻和电容的乘积， 即，τ=RC。因为集成电阻和电容的精度很差，绝对误差可达±20％，而 且都随温度而变。如果用开关电容取代无源电阻R，如图7.7 (b)所示，则 C C2 时间常数变为 Req C 2 2 Tc C1 C1 f c
7.2 开关电容电路的分析方法
7.2.1 s域与z域之间的变换
电路结构上讲，开关电容滤波器是用开关电容的模拟电阻代替无源电阻
而实现的模拟滤波器，它的设计方法与连续时间滤波器相似：第一步是 将目标滤波器的s域传输函数正确地转换成z域传输函数，第二步再用开关
电容电路去综合或实现这个z域传输函数。显然，如何把有理的s域传输函
uc ( z ) 7.2.1 Tc s域与z域之间的变换 i ( z ) C ( z 1)
MOS电容PPT课件
弱 反 型 特征点VMG
• 在特征点处，硅衬底的表面处于本征硅的情形下 • 当能带的弯曲大于它时，禁带中央Ei线在某一点会穿过费米能级，使得费米
能级相较于离开价带顶的距离而言更接近于导带底 • 这意味着电子（P型衬底中的少子）的浓度大于硅表面空穴的浓度——在表
面产生了一个反型层
费米能级的变化表 示了什么？
第子）来自于热产生的电子-空穴对。 • 由于热产生是一个很缓慢的过程，电子无法快速的响应栅压的改变。 • 因此当栅信号的频率高于100Hz时，所描述的这种电容的增加无法观察到。 • 高频电容由所能达到的最大耗尽层宽度决定。
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能带图
为什么要介绍MOS电容？
•随机存储器RAM的电荷存储元件 •频繁的应用于线性电路和数字电路中 •现代电子器件MOSFET，就是建立在MOS的 基础之上
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集成电路结构
栅氧
为什么有P+？
场氧
氧化层的厚度为什 么不一样？
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C-V曲线
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剖面图 能带图
VG VFB 0
有效栅压
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qs ——表面势
• 硅衬底中的能带弯曲量 • 是MOS电容特性中一个非常重要的 参数 • 表面势是相对于硅衬底的体势能的 一个参考能级 • 注意与功函数的区别！
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积累模式
• 在积累模式，表面势的改变相较于栅压的改变量是可以被忽略的 • 这意味着栅压的任何变化的绝大部分都会穿过氧化层 • 电容等于栅氧电容，与栅压独立。
N型衬底的MOS电容阈值电压：
2 sqND
Cox
VT VFB 2 F 2 F
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开关电容电路
MOS采样开关的误差
因此，电荷注入效应引起的输出误差可分成： a) 增益误差： Vout WLCox = 1+ 表现为非单位增益。 Vin CH WLCox b) 固定的失调电压误差： ΔVout = (VDD − Vthn ) CH c) 非线性误差： 考虑体效应，引入阈值电压和输入电压的非线性关系
开关电容放大器
放大：S1和S2断开，S3导通
t = t0 Vin = V0
因为，x点电荷守恒，注入问题。 考虑S2的注入： S2比S1先关断，S2 的沟道电荷注入采样开关。 对NMOS开关， Δq = W2 L2Cox (Vck − Vx − Vth )
Vout R =− 2 Vin R1
是一个反相放大器。 若运放的增益不是无限大，则可能引入误差。 当输出阻抗很高时，电阻R2使运放增益下降，误差增加。 电阻的工艺绝对误差很大，而电容的工艺绝度误差相对较小 问题：为什么不能用电容代替电阻？
基本概念
在反相放大器中，用电容代替电阻。 如图：若运放增益无限大，则：
基本概念
上述开关电容电路的特点： 工作分二个过程： 采样：对模拟输入信号进行采样，没有放大功能。 放大：对采样输入信号进行放大，而不是处理连续信号 放大需要一定的时间，使输出达到一定的精度。 因为放大过程是电荷转换过程，需要充放电电流。 电路需要一个时钟来确定每个阶段。因此开关电容电路是 一种离散时间系统。 和电阻负载相比，电容负载不会影响运放的输出阻抗。 电容易匹配，精度高。 虚地必须是高阻，使电荷不会损失。因此，适用于MOS管
Vout C =− 1 Vin C2
mos管典型开关电路
mos管典型开关电路
MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导
体器件，常用于开关电路中。
MOS管的典型开关电路包括MOSFET
（金属氧化物半导体场效应晶体管）和CMOS（互补金属氧化物半导体）电路。
MOSFET是一种三端器件，包括栅极（Gate）、漏极（Source）
和源极（Drain）。
在典型的开关电路中，MOSFET可以用作开关来
控制电流的通断。
当栅极施加正电压时，会形成电场，使得漏极和
源极之间形成导通通道，电流得以通过，此时MOSFET处于导通状态；当栅极施加负电压或者不施加电压时，电场消失，通道关闭，电流
无法通过，MOSFET处于截止状态。
这种特性使得MOSFET在数字电
路中被广泛应用，用于开关控制和放大信号。
CMOS电路是一种由PMOS（P型MOS）和NMOS（N型MOS）组成
的互补型MOS电路。
CMOS电路在数字集成电路中得到广泛应用，其
典型的开关电路包括逻辑门电路和触发器电路。
在CMOS逻辑门中，
当输入信号为高电平时，NMOS管导通，PMOS截止，输出为低电平；
当输入信号为低电平时，NMOS截止，PMOS导通，输出为高电平。
这
种结构使得CMOS电路具有低功耗、高噪声容限和良好的抗干扰能力，
因此被广泛应用于集成电路中的数字逻辑电路和存储器电路中。
总的来说，MOS管在典型的开关电路中发挥着重要作用，无论是作为单独的MOSFET还是组成的CMOS电路，它们都在数字电路和集成电路中发挥着重要的作用。
mos管做开关的电路
mos管做开关的电路
在电子电路中，MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）常用作开关元件。
以下是一个简单的使用MOS管作为开关的电路：
1. 选择一个合适的MOS管，根据负载的额定电压和电流选择合适的型号。
2. 将MOS管的源极（Source）连接到地线（GND），漏极（Drain）连接到负载（Load）。
3. 通过一个控制信号（Control Signal）来控制MOS管的开启和关闭。
当控制信号为高电平时，MOS管导通，负载两端有电流通过；当控制信号为低电平时，MOS管截止，负载两端无电流通过。
4. 在控制信号的输入端需要添加一个上拉电阻（Pull-Up Resistor）或者下拉电阻（Pull-Down Resistor），以确保控制信号始终有一个确定的电平。
通过以上步骤，就可以实现一个简单的使用MOS管作为开关的电路。
需要注意的是，在实际应用中，还需要考虑其他因素，如电压偏置、电流限制、热管理等，以确保电路的正常运行和安全性。
MOS管电路工作原理及详解ppt课件
但UG比US大（或小）多少伏时MOS管才会饱和导通呢？
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电路符号
饱和导通问题：
UG比US大（或小）多少伏时MOS管才会饱和导通呢？ 这要看具体的MOS管，不同MOS管需要的压差不同。
在笔记本主板上用到的NMOS可简单分作两大类： 信号切换用MOS管： UG比US大3V---5V即可，实际上只
输入
S极
G极
N沟道
PMOS管正确接法：
S极接输入；D极接输出。
假如反接：
D接输入，S接输出。
输出
S极
G极
P沟道
D极
输出
由于寄生二极管直接导通，因此
S极电压可以无条件到D极，MOS
管就失去了开关的作用。
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D极
输入
同样失去了开关作用。
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电路符号
小结：“MOS管的开关条件”
前面解决了MOS管的接法问题，接下来谈谈MOS管的 开关条件：
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图1
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电路符号
两张截图里， 你发现了几处错误？
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答案在文档最后面。
图2
32
实物
实物篇
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33
实物 看看这些MOS管：
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呵呵，都是很常见的吧？ 能告诉大家， 哪个脚是S（源极）吗？
哪个脚是D（漏极）？
G（栅极）呢？ 是P沟道还是N沟道MOS？ 呵呵，这个有点难哦。
如果MOS管用作隔离时，（不论N沟道还是P沟道）， 寄生二极管的方向一定是和主板要实现的单向导通方向 一致。
笔记本主板上用PMOS做隔离管的最常见，但也有极少 的主板用NMOS来实现。
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MOS管开关电路设计
MOS管开关电路设计MOS管的基本知识MOS管可以分为增强型和耗尽型，增强型又分为P沟道和N沟道，耗尽型也分P沟道和N沟道，实际应用中我们所说的NMOS和PMOS都是指，N沟道和P沟道增强型的MOS管。
所以我们这儿说的MOS管都是这两种类型。
对于这两种MOS管，我们比较常用的是NMOS，原因如下：1、导通电阻小，可以做到几个毫欧的电阻，传导损耗小。
2、输入电阻非常高，能够达到上亿欧姆，几乎不计电流。
3、开关速度快，开关损耗低，特别适合做开关电源。
4、较强的电流处理能力。
MOS管的三个脚之间都是存在寄生电容的，这个不是我们能够改变的，由于制造工艺产生的，所以在电路设计的时候会有一些我们必须要考虑的因素。
图一中可以看到NMOS和PMOS两种管的的区别。
图一MOS管的开关特性1、P沟道MOS管开关电路PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。
需要注意的是，Vgs指的是栅极G与源极S 的电压，即栅极低于电源一定电压就导通，而非相对于地的电压。
但是因为PMOS导通内阻比较大，所以只适用低功率的情况。
大功率仍然使用N沟道MOS管。
如图二所示2、N沟道MOS管开关电路NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压大于参数手册中给定的Vgs就可以了，漏极D接电源，源极S接地。
需要注意的是Vgs指的是栅极G与源极S的压差，所以当NMOS作为高端驱动时候，当漏极D与源极S导通时，漏极D与源极S电势相等，那么栅极G必须高于源极S 与漏极D电压，漏极D与源极S才能继续导通。
如图二所示图二MOS管开关电路实列1（MOS管用于控制负载）导通条件：Vgs＞Vth，R1,R2的作用是为了给G,S之间创造一个Vgs电压，不需要去关心G,D之间的电压关系（只要没有达到击穿电压）。
另外S极不一定需要接地，只需要满足Vg与Vs之间的一个电势差大于Vth，MOS管依然能够起到一个开关左右。
大功率mos开关电路
大功率mos开关电路1.引言1.1 概述大功率MOS开关电路是一种高性能的电力电子器件，用于将低电压、高电流的信号转换为高电压、低电流的信号。
它广泛应用于工业、通信、医疗等领域，用于电源开关、电机驱动、电压变换等电路中。
MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）是一种基于金属-氧化物-半导体结构的晶体管。
大功率MOS开关电路利用MOS晶体管的特性，能够在毫秒级或微秒级的时间范围内实现开关操作，并具有高效能、高可靠性和长寿命等优点。
大功率MOS开关电路的工作原理是通过对MOS晶体管的控制电压来完成开关操作。
当输入信号为高电平时，MOS晶体管导通，输出信号为高电平；当输入信号为低电平时，MOS晶体管截止，输出信号为低电平。
这样就实现了对电流的开关控制。
在设计大功率MOS开关电路时，需要考虑多个因素，如输入输出电压的范围、电流的大小、工作频率、功率损耗等。
同时还需要合理选择器件参数、设计适当的保护电路和散热系统，以确保电路的可靠性和稳定性。
随着科技的不断进步，大功率MOS开关电路的性能不断提升。
目前已经出现了多种高性能MOS晶体管和封装技术，使得大功率MOS开关电路在功率密度、效率和体积方面得到了显著的改进。
这为电力电子技术的发展提供了更广阔的应用空间。
综上所述，大功率MOS开关电路作为一种高性能的电力电子器件，在现代化社会中具有重要的应用价值和发展前景。
随着技术的不断创新和进步，相信在不久的将来，大功率MOS开关电路将会在各个领域发挥更大的作用。
1.2 文章结构文章结构部分是对整篇文章的大致分析和安排，它旨在为读者提供一个清晰的指导，使读者能够更好地理解文章的内容和结构。
本文的结构分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分通过概述、文章结构和目的三个小节，介绍了本文的主题和写作目的。
首先，我们对大功率MOS开关电路进行了概述，说明了其在实际应用中的重要性和需求。
然后，我们列出了本文的文章结构，包括引言、正文和结论三个部分，为读者提供了整体上的框架。
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应
复习思考题
2.2利用截锥体电阻公式，计算TTL“与非”门输出管的 ，其图形如图题2.2
所示。
提示：先求截锥体的高度
-
然后利用公式： ，
注意：在计算W、L时,应考虑横向扩散。
2.3伴随一个横向PNP器件产生两个寄生的PNP晶体管，试问当横向PNP器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大?
若驱动mos管的脉冲频率为50khz电1110pf试求开关电容电路的等效电阻eff144图题144是一个mos开关电容等效电路写出电路等效电阻eff151图题151为某电路的过热保护电路为被保护管试以芯片为175时保护电路的状态来说明该电路的过热保护作用
第1章集成电路的基本制造工艺
1.6一般TTL集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?
此电路实施反相器功能。
题9.4(b)中 和 若为无比，无法反相器功能。
9.5分析图题9.5所示的两相动态电路的逻辑功能，并说明各级电路分别是有比的还是无
比的。假如图中 ， ； 从 ， ，试画出图中,A,B,C,D和 各点的波形图
答：该电路为具有保持功能的多路选通开关。
该电路中除最后一级为无比电路外，余下均为有比电路。
答：
14.4图题14.4是一个MOS开关电容等效电路，φ和 为两个同频反相的驱动脉冲信号。
(1)分析电路工作原理；
(2)写出电路等效电阻 的表达式。
答：
第15章集成稳压器
复习思考题
15.1图题15.1为某电路的过热保护电路， 为过热保护管， ， 为被保护管，试
高二物理竞赛：MOS开关及其等效电路+课件
场效应管特点
只有一种载流子参与导电；
输入电阻高； 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
绝缘栅型场效应管
由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导 体场效应管，或简称 MOS 场效应管。
特点：输入电阻可达 109 以上。
类型
N 沟道 P 沟道
增强型 耗尽型
增强型 耗尽型
耗尽型场效应管:VGS = 0时漏源间存在导电沟道的MOS管 增强型场效应管:VGS = 0时漏源间不存在导电沟道的MOS管
N 沟道增强型 MOS 场效应管 1. 结构
源极
栅极 漏极
S
SiO2 G
D
D
N+
N+
G
P 型衬底
S
P 沟道增强型 MOS 场效应管
源极 S
栅极 SiO2 G
漏极 D
P+
P+
MOS开关及其等效电路
MOS开关及其等效电路
1 高、低电平产生的原理
当S闭合，O=0 V
(低电平)
当S断开， O=+5 V (高电平)
vI
+5
V R
R
vo
S
理想的开关应具有两个工作状态： 接通状态：要求阻抗越小越好，相当于短路。 断开状态：要求阻抗越大越好，相当于开路。
(b)带拉电流负载
0 1 1 电流方向? 1 0
VGVGVGGGS
S SS
G GG
DD
N+NN++
N+NN++
P 型P 衬型底衬夹底断区 P 型衬底
BB
由于夹断区的沟道电阻很大，VDS 逐渐增大时，导电 沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。
第14章 MOS开关电容电路
(1)采样频率fc应比信号最高频率fs高得多，即要求fc>>fs， 才能使被采样的信号不失真地被还原。
(2)1端和2端的电压V1和V2不能受开关闭合的影响，这样可 避免开关闭合时，引起电路瞬变和瞬时信号电平的变化。
二、串联型开关电容等效电阻电路 当φ为高电平时，M1导通M2截止， 电容C1上存储电荷量Q为：Q＝C1(V1V2)。 当φ为低电平时，M2导通M1截止，电容C1通过M2放电， 电容C1上电荷量变为零。
一、并联型开关电容等效电阻电路 两个MOS模拟开关管M1、M2分别受两 相互补时钟控制，它们具有同频、相位 相反、振幅相等而不重叠的特性。 当φ为高电平时，M1导通M2截止， 相当于简化图中的开关S1接向l端。电 压V1向电容Cl充电至V1，此时电容C1 上储存的电荷量为Q1＝Cl.V1。 当φ为低电平时，M2导通M1截止，相当于开关S1接向 2端。电容C1通过2端的负载放电形成电压V2，电容Cl上 储存的电荷量为Q2＝Cl.V2 。在这个过程中，通过电容C1 从1端传送至2端的电荷量△Q为
第14章 MOS开关电容电路
概述 14.1 开关电容等效电阻电路 14.2 开关电容积分器 14.3 开关电容低通滤波器
作业
概述
MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电 容组成，电路在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和 转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构 成多种功能的电路。如SC等效电阻电路、SC积分电路、 SC滤波电路等。 为了突出对开关电容基本工作原理的论述，假定各元 件具有理想特性，即模拟开关的导通电阻为零，关断电 阻为无限大，不存在寄生电容；并假定模拟开关栅电压 的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定MOS电 容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放 大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。 用MOSFET构成的模拟开关可 用简单的单掷开关符号表示。
CMOS模拟集成电路第12章—开关电容电路
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小结
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
2013-8-4 33
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
RF Av 1 C2 s RF C1s 1 RF C 2 s 1 C1s
只有当ω>>(RFC2)-1时，AV≈-C1/C2
2013-8-4
4
概述
• 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
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”
2013-8-4 28
开关电容放大器
• 3.3 精确乘2电路
C1=C2=C；
Vout 2VinC 2Vin C
2013-8-4
29
开关电容积分器
4、开关电容积分器
• 连续时间积分器
• 开关电容等效电阻
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
2013-8-4
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开关电容放大器
• 3.1 单位增益采样/缓冲器（续）
速度问题（续） 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，
如果Cin<<CL及CH，上式简化为CL/Gm
2013-8-4
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”
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14.3 开关电容低通滤波器
只利用 MOS 开关和电容即可构成简单的滤波器，不需 要制作电阻。此外，网络的频率响应取决于时钟频率及 两个电容的比值，而与电容的绝对数值无关。
当φ为低电平时， M2导通M1截止，电容 C1通过M2放电， 电容C1上电荷量变为零。
在开关接通和断开的一个周期 Tc内，电容 C1上的电荷 变化量△ Q为：△Q＝C1(V1-V2) 。可见，△ Q与并联型 SC 等效电阻电路在开关接通和断开的一个周期内电容 C1上 的电荷变化量相同。所以此电路在一个周期 Tc内，1端 向2端传递的平均电流和此电路的等效电阻 Reff的表达式， 与并联型 SC等效电阻电路的相同。
CP2和C1被充电到等于 Vi的电压，而 CP3因为和运算 放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。
在φ为低电平 时，S1和S2断开，S3和S4接通，此时 CP2、CP3和C1被短路。
可见，在 一个时钟周期 内，CP2和CP3都不会影响电 路中电荷的正常转移，从而消除了寄生电容对积分器 性能的影响。
CPl是模拟开关管M1源-衬底的寄生电容，CP2和CP3是M1和M2的 漏—衬底电容以及与电容C1相关的上极板和互连线的寄生电容， CP4是M2的源—衬底电容和运算放大器的输入电容，CP5和CP6是与 积分电容C2相关的上下极板的寄生电容。
各寄生电容对电路性能的影响不同，CPl与信号源并联，通常信 号源内阻较小，所以CPl的影响可忽略。 CP2和CP3直接与C1并联， 其影响必须考虑，令CP＝CP2+CP3，C1'＝C1+CP。若运算放大器具 有理想特性，则CP4和CP5的影响可以忽略，可以看作运算放大器 负载的电容CP6的影响也可忽略。综上所述，如果输入信号源的内 阻足够小，且运算放大器具有理想特性，则只需考虑CP2和CP3的 影响，其作用相当于使C1的值增加了Cp。
14.2 开关电容积分器
当fc一定时， SC积分器的传递函数只与 C1和C2的比值 有关，而与它们的绝对值无关。
在集成电路工艺中，要获得精确的电容值很难，而要 获得精确的电容比却不难实现。采用特种工艺，电容比 的精度可达到 0.0l％，并且具有良好的温度稳定性。
这种积分器的 缺点是寄生电容的影响较大。
为了突出对开关电容基本工作原理的论述， 假定各元 件具有理想特性 ，即模拟开关的导通电阻为零，关断电 阻为无限大，不存在寄生电容；并假定模拟开关栅电压 的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定 MOS电 容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放 大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。
要注意两个条件：
(1)采样频率fc应比信号最高频率fs高得多，即要求fc>>fs， 才能使被采样的信号不失真地被还原。
(2)1端和2端的电压V1和V2不能受开关闭合的影响，这样可 避免开关闭合时，引起电路瞬变和瞬时信号电平的变化。
二、串联型开关电容等效电阻电路
当φ为高电平时， M1导通M2截止， 电容C1上存储电荷量 Q为：Q＝C1(V1V2)。
时间常数将只取决于时钟频率和两个电容Cl和C的比值。而时钟 频率通常比较稳定、准确，所以时间常数将主要取决于C1／C。在 MOS集成电路工艺中，两个电容的比值主要取决于电容的版图设计 尺寸和光刻偏差，这些是比较容易控制的。所以，把电阻比和时 间常数的精确控制归结到电容比值的控制是非常有利的。
开关电容电路易于实现稳定、准确的时间常数。而在模拟电路 中常遇到与时间有关的特性，如频率特性、延迟特性等，因此 MOS开关电容电路得到了广泛的应用，并促进了模拟集成电路的 发展。
第14章 MOS开关电容电路
概述 14.1 开关电容等效电阻电路 14.2 开关电容积分器 14.3 开关电容低通滤波器
作业
概述
MOS开关电容电路 (SC电路)是由MOS模拟开关和 MOS电 容组成，电路在时钟信号的控制下， 完成电荷的存储和 转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构 成多种功能的电路。如 SC等效电阻电路、 SC积分电路、 SC滤波电路等。
用MOSFET 构成的模拟开关可 用简单的单掷开关符号表示。
14.1 开关电容等效电阻电路
SC等效电阻电路由MOS模拟开关和MOS电容组成， 这种电路可以等效为一个电阻。
根据MOS开关和MOS电容在电路中的连接方式不 同，可以分为串联型和并联型两种。
规定所有的MOS开关和MOS电容均接在串臂的， 称为串联型。
当φ为低电平时， M2导通M1截止，相当于开关 S1接向 2端。电容C1通过2端的负载放电形成电压 V2，电容Cl上 储存的电荷量为 Q2＝Cl.V2 。在这个过程中，通过电容 C1 从1端传送至 2端的电荷量△ Q为
当电容C1固定时，改变时钟频率可以调节等效电阻的大小。 同时，只要精确控制时钟频率和电容C1的数值，就可以得到精 确的等效电阻。而要做到这一点，比直接做一个精确的电阻要容 易得多，而且可以缩小芯片面积。例如，一般MOS电容C1的数值 在0.1～100pF左右，如果取C1＝lpF，时钟频率fc＝100kHz，则 可得到一个10MΩ的等效电阻。而一个lpF的MOS电容的面积约为 0.0lmm2，为制造10MΩ电阻所需面积的1％。故采用MOS模拟开关 电容电路代替电阻，将大大有利于MOS模拟电路集成度的提高。
CP的存在改变了积分器的特性，而且 CP是随加在其两 端电压的不同而变化的非线性电容，这就失去了开关电 容积分器易于得到准确和稳定的时间常数的优点。然而 这些电容是在制造开关电容积分器时不可避免的，因此 需 时，开关 S1、S2接通，S3、S4断开，此 时输出电压 Vo为
MOS开关或MOS电容或它们两者均接在并臂的， 称为并联型。
一、并联型开关电容等效电阻电路
两个MOS模拟开关管 M1、M2分别受两 相互补时钟控制，它们具有同频、相位 相反、振幅相等而不重叠的特性。
当φ为高电平时， M1导通M2截止， 相当于简化图中的开关 S1接向l端。电 压V1向电容Cl充电至V1，此时电容 C1 上储存的电荷量为 Q1＝Cl.V1。