CMOS模拟集成电路第12章―开关电容电路PPT课件

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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
电路呈现高通传输特性，所以不适合 放大宽带信号
Av
RF
1 C2s 1
RFC1s RFC2s 1
C1s
只有当ω>>(RFC2)-1时，AV≈-C1/C2
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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
CMOS模拟集成电路设计
开关电容电路
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提纲
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
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概述
1、概述
• CMOS连续时间反馈放大器的问题
CMOS放大器为了有较大增益，需要 有很大的开环输出电阻
闭环增益不精确
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采样开关
• 2.3 精度问题（续）
kT/C噪声
Vn2 kT/C
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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，但不精确， 粗略地，假设一半电荷注入到CH上，
得到，W2=0.5W1，L2=L1 此时，也可以抑制时钟馈通
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采样开关
• 2.4 电荷注入抵消（续）
方法二：CMOS开关 可以抑制电荷注入，要求：
W 1 L 1 C o( V x C V K i n V T) H W 2 N L 2 C o( V x i n V T) H P
但由于NMOS和PMOS的交叠电容不 相等，只能部分消除时钟馈通
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S3：S3的沟道电荷来自运放，不会产 生误差。
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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容Cin为有限值 放大模式下，VX不等于0，从CH上抽 取CinVX电荷
V C H (C H V 0 C iV n X )/C H
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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会在关断后通过S和D 端流出。
粗略地，假设一半电荷注入到CH上， Vout
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
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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 耦合到采样电容上。
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 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：
▪可以“跟踪”和“冻结” 信号
(▪“V零in失的调最”高开电关压)等于VDDVTH
Fra Baidu bibliotek
线性区
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采样开关
• 2.1 MOSFET开关
▪Vin的最高电压等于VDD-VTH 当Vout趋进VDD-VTH时，M1趋于截止。
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采样开关
• 2.2 速度问题
采样速度的决定因素 ▪开关的导通电阻 ▪采样电容：小的采样电容可以提高采样速度
▪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。
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采样开关
2、采样开关和电容
• 2.1 MOSFET开关
电压传输
▪MOS开关大部分时间工作 在线性区，等效一个电阻
▪MOS开关可以双向传输
t=t0时，饱和区 当Vout≤VDD-VTH时，线性区
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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
16.09.2020 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”23
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（a）
（b）
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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 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CHV0 S2：引入失调，可以通过差分工 作方式消除
S1：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
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采样电容
• 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
好处： ▪减小X点对地电容； ▪避免X点注入衬底噪声
上极板
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下极板
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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）： S1，S2闭合，S3断开 Vout＝Vx≈0，电容两端V0＝Vin 放大阶段（b）： S1，S2断开，S3闭合 Vout＝V0＝Vin－
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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 采样模式下， 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
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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 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。
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采样开关
• 2.2 速度问题（续）
采样速度的决定因素
▪开关的导通电阻 输入电平的影响
▪采样电容
Nmos：输入接近VDD-VTHN时，Ron→∞
Pmos：输入接近|VTHP|时，Ron→∞
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采样开关
• 2.2 速度问题（续）
CMOS互补开关
保证同时断开
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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
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负反馈 0
（b）
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概述
• 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；