cmos模拟集成电路设计_ch12开关电容电路

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1、CMOS模拟集成电路设计开关电容电路提纲1、概述2、采样开关3、开关电容放大器4、开关电容积分器6/13/20212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6/13/20213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只有当ω>>(RFC2)-1时，AV≈-C1/C26/13/20214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放大

2、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06/13/20215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；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。6/13/20216概述2、采样开关和电容2.1MOSFET开关电压传

3、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6/13/20217采样开关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。6/13/20218采样开关2.2速度问题采样速度的决定因素采样电容：小的采样电容可以提高采样速度开关的导通电阻6/13/20219采样开关2.2速度问题（续）采样速度的决定因

4、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

5、VTHP

6、时，Ron→∞6/13/202110采样开关2.2速度问题（续）CMOS互补开关保证同时断开6/13/202111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，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Vout6/13/202112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

7、耦合到采样电容上。6/13/202113采样开关2.3精度问题（续）kT/C噪声6/13/202114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，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=L16/13/202115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：但由于NMOS和PMOS的交叠电容不相等，只能部分消除时钟馈通6/13/202116采样开关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

8、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6/13/202117采样电容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（a）（b）放大阶段（b）：S1，S2断开，S3闭合Vout＝V0＝Vin－6/13/202118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）

9、，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。6/13/202119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6/13/202120开关电容放大器3.1单位增益采样/缓冲器（续）速度问题X处的等效对地电阻通常，Ron2<>1，因此，Rx≈1/Gm采样模式下的时间常数采样模式下，6/13/202121开关电容放大器3.1单位

10、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。6/13/202122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<>CH和Cin简化公式，6/1