CMOS模擬集成電路設計開關電容電路6/20/20251提綱1、概述2、采樣開關3、開關電容放大器4、開關電容積分器6/20/20252提綱1、概述CMOS連續時間反饋放大器的問題CMOS放大器為了有較大增益，需要有很大的開環輸出電阻閉環增益不精確6/20/20253概述CMOS連續時間反饋放大器的問題（續）采用電容代替反饋電阻電路呈現高通傳輸特性，所以不適合放大寬帶信號只有當ω>>(RFC2)-1時，AV≈-C1/C26/20/20254概述開關電容電路采樣階段（a）：S1，S2閉合，S3斷開，C1上存儲的電荷為VinC1放大階段（b）：S1，S2斷開，S3閉合，通過C2上的負反饋，C1上的電荷轉到C2上，Vout＝VinC1/C2（b）負反饋06/20/20255概述開關電容電路特點：采樣放大階段僅對采樣電壓放大器狀態的轉換，導致電路的穩定性問題優點：Vout達到穩定后，通過C2的電流接近0，即穩定后反饋電容不會降低放大器的開環增益；電容更易實現；開關電容放大器在CMOS工藝中更容易實現；CMOS工藝具有簡單開關和高輸入阻抗，使得其成為數據采樣應用的主要選擇。6/20/20256概述2、采樣開關和電容2.1MOSFET開關電壓傳輸MOS開關可以雙向傳輸可以“跟蹤”和“凍結”信號(“零失調”開關)MOS開關大部分時間工作在線性區，等效一個電阻Vin的最高電壓等于VDD-VTHt=t0時，飽和區當Vout≤VDD-VTH時，線性區線性區6/20/20257采樣開關2.1MOSFET開關Vin的最高電壓等于VDD-VTH

當Vout趨進VDD-VTH時，M1趨于截止。6/20/20258采樣開關2.2速度問題采樣速度的決定因素采樣電容：小的采樣電容可以提高采樣速度開關的導通電阻6/20/20259采樣開關2.2速度問題（續）采樣速度的決定因素采樣電容開關的導通電阻輸入電平的影響Nmos：輸入接近VDD-VTHN時，Ron→∞Pmos：輸入接近|VTHP|時，Ron→∞6/20/202510采樣開關2.2速度問題（續）CMOS互補開關保證同時斷開6/20/202511采樣開關2.3精度問題溝道電荷注入導通時，溝道中的電荷Qch會在關斷后通過S和D端流出。粗略地，假設一半電荷注入到CH上，再考慮體效應的非線性，溝道電荷注入將導致三種誤差：增益誤差；直流失調；非線性Vout6/20/202512采樣開關2.3精度問題（續）時鐘饋通時鐘信號通過交疊電容耦合到采樣電容上。6/20/202513采樣開關2.3精度問題（續）kT/C噪聲6/20/202514采樣開關2.4電荷注入抵消方法一：“虛擬”開關可以抑制電荷注入，但不精確，此時，也可以抑制時鐘饋通粗略地，假設一半電荷注入到CH上，得到，W2=0.5W1，L2=L16/20/202515采樣開關2.4電荷注入抵消（續）方法二：CMOS開關可以抑制電荷注入，要求：但由于NMOS和PMOS的交疊電容不相等，只能部分消除時鐘饋通6/20/202516采樣開關2.5采樣電容下極板采樣：放大器的輸入接采樣電容的上極板上極板下極板好處：減小X點對地電容；避免X點注入襯底噪聲6/20/202517采樣電容3、開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器采樣階段（a）：S1，S2閉合，S3斷開Vout＝Vx≈0，電容兩端V0＝Vin（a）（b）放大階段（b）：S1，S2斷開，S3閉合Vout＝V0＝Vin－6/20/202518開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器（續）溝道電荷注入的影響S2：引入失調，可以通過差分工作方式消除從采樣到放大模式，S2比S1稍微早斷開一會兒，CH上的電荷為CHV0S1：如果S2首先斷開（采樣時刻），由于X點“懸空”，采樣電容上的電荷保持不變，因此，S1的電荷不會帶來誤差S3：S3的溝道電荷來自運放，不會產生誤差。6/20/202519開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器（續）精度問題運放的增益和輸入電容Cin為有限值放大模式下，VX不等于0，從CH上抽取CinVX電荷6/20/202520開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器（續）速度問題X處的等效對地電阻通常，Ron2<<R0,且GmR0>>1，因此，Rx≈1/Gm采樣模式下的時間常數采樣模式下，6/20/202521開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器（續）速度問題放大模式下，在開始時，運放的輸入會得到一個很大的值（-V0），產生轉換，按照大信號行為分析，按運放的轉換速率計算。當放大器進入線性區后，采用線性模型計算。6/20/202522開關電容放大器3.1單位增益采樣/緩沖器（續）速度問題（續）如果Cin<<CL及CH，上式簡化為CL/Gm在線性放大階段，將CH上的電荷等效為一個電壓源Vs，計算傳輸函數并考慮GmR0CH>>CH和Cin簡化公式，X點的寄生電容（Cin）會影響速度和精度，因此采樣“下極板采樣”6/20/202523開關電容放大器3.2同相放大器采樣階段（b）：S1，S2閉合，S3斷開Vout＝Vx≈0，電容兩端V0＝Vin放大階段（c）：S1，S2斷開，S3閉合Vout＝Vin0(C1/C2)增益：6/20/202524開關電容放大器3.2同相放大器采用適當時序，可以避免電荷注入從采樣到放大模式，S2比S1稍微早斷開一會兒X只受S2注入電荷的影響，Vout的最終值與S1和S3無關溝道電荷注入的影響：6/20/202525開關電容放大器3.2同相放大器從采樣到放大模式，S2比S1稍微早斷開一會兒S2turnsoffS2斷開時輸入電源為Vin0;S1斷開注入

q1，P點變化

V=q1/C1;S3導通后，Vp降為0，則Vp的總變化量為－Vin0；Vp的最終值與S1和S3無關6/20/202526開關電容放大器3.2同相放大器（續）運放的增益和輸入電容Cin為有限值精度問題：對于大的Av，6/20/202527開關電容放大器3.2同相放大器（續）采樣模式下的情況與單位增益采樣器一致；速度問題：放大模式下，只需將VinC1Cin用戴維南等效處理，便可類似單位增益采樣器一樣處理同樣，X點的寄生電容（Cin）會影響速度和精度，因此采樣“下極板采樣”6/20/202528開關電容放大器3.3精確乘2電路C1=C2=C；6/20/202529開關電容放大器4、開關電容積分器連續時間積分器從A流向B的平均電流等于在一個時鐘周期內電荷的轉移量開關電容等效電阻6/20/202530開關電容積分器開關電容積分器缺點：與輸入有關的S1的電荷注入使C1存儲的電荷產生非線性；結點P上的非線性電容Cj引入了非線性。6/20/202531開關電容積分器開關電容積分器（續）對寄生參數不敏感的開關電容積分器采樣模式：S1，S3閉合，S2和S4斷開采樣→積分向積分模式轉換：S3先斷開→S1斷開→S2和S4導通S3先被斷開，s1,s