1v电源的cmos开关电容滤波器new

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1、第10卷第1期电路与系统学报Vol.10No.12005年2月JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSFebruary2005文章编号1007-0249(2005)01-0028-03*1V电源的CMOS开关电容滤波器盛敬刚陈志良石秉学清华大学微电子学研究所北京100084摘要本文设计实现了一种低压的开关电容滤波器该电路采用上华0.8微米标准CMOS工艺实现本电路是基于一种新的时钟倍增电路实现的一个双二阶带通滤波器测试结果表明该带通滤波器可以在1V电源电压下正常工作测试结果与仿真一致关

2、键词低压CMOS模拟电路开关电容滤波器中图分类号TN431.1文献标识码A1引言随着微电子技术的发展集成电路设计也面临越来越严峻的挑战MOSFET的特征尺寸不断减小耐压不断降低集成度系统复杂度越来越高为降低功耗提高系统可靠性和寿命低压低功耗技术成为新的热点之一而采用电池供电系统的手持式设备产品对低压低功耗的需求就更迫切了电池供电系统的设计目标为采用单电池而且能保证长寿命为进一步提高性能降低成本芯片设计趋向于将数字电路和模拟电路集成在同一芯片上电源电压的降低可以在很大程度上降低数字系统的功耗但当电源电

3、压很低如1.2V单节镍镉电池的电压的时候对模拟电路的性能是非常不利的如传统的共源共栅结构不再适合低压下应用很多常用的电路都需要重新设计以使其能在足[1]够低的电压下工作其中被广泛应用于模拟信号处理的开关电容电路就要面对这样的挑战2低电源电压下开关电容电路的困难开关电容电路作为一种动态模拟电路采用MOS管作为模拟开关利用电荷的转移实现模拟电路的功能一个好的开关电容电路的性能应主要取决于电路中的电容值之比和开关时钟频率实际电路中MOS开关的特性对性能也有一定的影响尤其是在极低的电源电压下MOS开关的影响

4、必须考虑图1给出了MOS开关在低电源电压下失效原理一般地电源电压较低时3V以下VDD>

5、VTHP

6、+

7、VTHN

8、互补CMOS开关可图1低压下CMOS开关失效原理以保证正确传输全幅度的电平但当电源电压更低低至V<

9、V

10、+

11、V

12、时CMOS开关相对输入电压存在一个高阻区当开关的一端电压为V-

13、V

14、到DDTHPTHNDDTHP

15、V

16、之间时因互补的N管和P管均无法开启CMOS开关将无法导通开关电容电路也将失效THN对于单端运算放大器的开关电容电路其中的运算放大器的输入范围不要求很大的动态范围的而只要求输出动态

17、范围足够大其输入端只需接成运算放大器可以正常工作的共模电压即可因此低压开关电容电路的主要矛盾集中在可传输0~V范围内信号的MOS开关的实现解决DD[2,3]方案主要的思路是解决浮动MOS开关管的导通问题现在的解决办法主要有时钟倍增和开关运算[4,5]放大器等时钟倍增的原理是利用电荷泵把时钟信号摆幅加大使信号在V~V范围内均能SSDD正常传输开关运算放大器则是从开关行为本身出发去掉了浮动的MOS开关而对放大器的输出进行控制行为上与浮动开关的作用是等效的*收稿日期2004-09-14修订日期2004-1

18、0-08万方数据第1期盛敬刚等1V电源的CMOS开关电容滤波器293电路设计3.1时钟倍增电路本文采用了时钟倍增电路根据流片制作的CMOS工艺条件耐压5V以上可以采用1V的电源电压应用时钟倍增后最高电压不过2´V仍远低于标准V电压因此该方案是安全的采用倍增电路DDDD图2时钟倍增电路后开关管只用单个NMOS管即可而不必使用CMOS互补开关本文设计一种新的简单而有效的电路结构图2其中M1为充电管CB为倍增电容CLK为原始时钟信号K1K2为MOS开关工作原理如下当CLK为0时K1断开K2导通输出接地即C

19、LKO也为低电平由于M1的栅极也接到了输出M1将被打开电源通过M1对CB充电因为CLK为0的整个时间内M1一直导通CB的电压被充到VDD当CLK从0变到1时K1导通K2断开输出连接到CB由于CLK端电压升高A点电压被抬高最终电压值取决于CB与M1栅电容CG1及驱动的全部开关管栅电容CC进行的电荷重分配当CB>>(CC+G1)倍增后的高电平电压就可以接近2´V注意M1衬底的接法这样接可以保证时钟为高电平时M1是截止的电荷不会泄漏DD采用这种时钟倍增电路后电路中的开关就可以全部使用NMOS开关这样MOS

20、开关控制电路的复杂度没有增加仅仅是多出两个时钟倍增单元实际电路中必须考虑信号的延迟效应为了使倍增电路能够有效的工作应保证CLK变高之前应使K2先断开K1导通然后CLK再变高这样可以保证预充的电荷没有泄漏因此根据以上所述的工作原理K1采用PMOS开关K2为NMOS开关K2K1接同一个信号CLKN从CB之前的反相器链中取出以满足上述的正常工作条件3.2两相不重叠时钟产生电路图3时钟产生电路及其仿真波形为了便于测试芯片上集成了一个简单的环形振荡器通过外接电阻电容调节使频率为