开关电容电路

开关电容电路‡基本概念‡采样开关„MOS开关误差„速度问题„电荷注入抵消‡开关电容放大器‡开关电容积分器‡开关电容共模反馈基本概念连续时间电路：输入是连续时间信号，输出也是连续时间信号。如图：若运放增益无限大，则：12RRVVinout−=9若运放的增益不是无限大，则可能引入误差。是一个反相放大器。9当输出阻抗很高时，电阻R2使运放增益下降，误差增加。9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：21CCVVinout−=同样实现信号反相放大的功能。问题：考虑电路中的x点：没有任何的电流通路。因此对x点，有电荷守恒。电荷量和电路的初态有关。解决方法：必须有电流通路设置x点的偏置电压。在反相放大器中，采用开关并联电容的方式代替电阻，当开关关闭时，提供了一条对x点的电流通路。基本概念采用开关电容如图：同样假设运放增益无限大，开关电容电路工作分二个阶段：a)S1、S2接通，S3断开0==⇒xoutVVxVxVAV−=Q因此，C2两端的电压为零，C1两端的电压为Vin。电荷为：inVCQ1b)当t=t0时，S1、S2断开，S3接通C1两端的电压为零，C2的电压为Vout=()0100VCQVtVin=⇒==Q⇒≈0xVQ021012VCCVVCVCQoutout=⇒==∴采样信号放大C1/C2倍基本概念上述开关电容电路的特点：9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9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。9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。9和电阻负载相比，电容负载不会影响运放的输出阻抗。9电容易匹配，精度高。9虚地必须是高阻，使电荷不会损失。因此，适用于MOS管采样开关一个简单的采样电路需要一个开关和电容，控制开关对输入信号采样，信号的幅度转化为电荷保持在电容上。用MOS管作为采样开关：NMOS开关：9当CK=1时，Vout随Vin变化。CK=0时，Vout保持常数。9NMOS开关是双向传输的9强“0”、弱“1”当Vin=1时，thnDDoutDDinVVVVV−=⇒=实际上，输入信号值远低于上述值。thnDDinVVV−≤∴采样开关导通电阻：若栅极电压VDD远大于Vin和Vout电压值一个阈值电压以上，则NMOS保持在线性区。()()thninDDoxnonVVVLWCR−−=μ1↑↑⇒oninRV导通电阻和输入电压成反比。导通电阻增加，使到达稳定态的时间增加，速度下降。PMOS开关：和NMOS类似，不同之处在于：9当CK=0时，Vout随Vin变化。CK=1时，Vout保持常数。9强“1”、弱“0”采样开关讨论：9“零失调”开关工作在深线性区的MOS器件称为“零失调”开关，指采样电路的输入和输出电压之间没有直流偏移。9速度的概念指电压的初始值到稳定值得时间，稳定值由精度的要求决定。9提高速度的方法：↓↓↑⇒HonCorRLWNMOS和PMOS的深线性区对应的输入电压范围不同，具有互补性。采样开关CMOS开关：PonNononRRR,,//=当：βμμ=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛PoxpNoxnLWCLWC导通电阻和输入电压无关()()()()thpthnDDthpinthninDDthpinthninDDPonNononVVVVVVVVVVVVVRRR−−=−+−−=−−−==ββββ111//1//,,采样开关CMOS开关必须有两个反相时钟控制，一般这两个时钟是不同时到达的。如图，CK先到达。以CK=0的下降沿为采样点，得到理想值。但在延时Δt后关断，则实际值和理想值之间有偏差。CKCMOS开关不同时关断引起的失真：解决方法：消除互补时钟的不同时：版图布线对称，利用互补的数字时钟产生电路。如图，用一个恒导通的CMOS开关等效一级门延时。MOS采样开关的误差MOS开关的误差使精度下降。1.沟道电荷注入如图：MOS开关导通时，氧化层下的硅表面存在沟道，假定沟道中的总电荷outinVV≈()thninDDoxchVVVWLCQ−−=对NMOS来说，沟道是负极板。当栅电压增加时，电子密度上升。当MOS管断开时，电荷被抽走。若假定：一半电荷注入到CH，另一半被输入源极吸收。则：()HthninDDoxHchHCVVVWLCCQCQV22−−==Δ=Δ因为是电子注入，因此电压是向下跳变的。MOS采样开关的误差讨论：a)若电容下降，则速度提高，但ΔV增加，精度下降；若沟道宽度W增加，导通电阻下降，则速度提高，但ΔV增加，精度下降。b)电荷注入的比例很难控制。大多数电路分析模拟工具对电荷注入效应的模拟是不精确的。若电荷分配使电荷完全注入到采样电容上，则可求得昀大输出电压误差：()()thnDDHoxinHoxHthninDDoxinoutVVCWLCVCWLCCVVVWLCVV−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=−−−=1MOS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：HoxinoutCWLCVV+=1表现为非单位增益。b)固定的失调电压误差：()thnDDHoxoutVVCWLCV−=Δc)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()()FthnDDHoxinFHoxinHoxoutFSBFthnthninSBVVCWLCVCWLCVCWLCVVVVVVΦ+−−+Φ+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=∴Φ−+Φ+=≈2212200γγγQ非线性误差不能修正MOS采样开关的误差考虑由电荷注入效应引起的速度和精度的折中：显然，电荷注入效应引起的误差和宽长、栅电容成正比，和采样电容成反比。定义性能参数F：VFΔ×=τ1Τ是时间常数，ΔV表征由电荷注入效应引起的误差。()HthninDDoxCVVVWLCV−−=ΔQ()()HthninDDoxnHonCVVVLWCCR−−==μτ1↓↑⇒=∴FLLFn2μ和采样电容、沟道宽度的大小无关。MOS采样开关的误差2.时钟馈通MOS开关存在交叠电容。假定：交叠电容=WCov，固定不变。()()()ovckHovoutovckinoutWCVCWCVCKWCVQCKtVtV−=+⇒→=×=⇒=====,0110000Q时钟馈通产生的输出误差是直流失调。和电荷注入效应一样，时钟馈通效应也有速度和精度之间的折中问题。3.kT/C噪声：对电容充电引入噪声，关断后噪声采样在采样电容上。采样电容增加，噪声降低、精度提高、速度下降。HHovckHovovckoutCWCWCVCWCWCVVV∝≈+==Δ∴MOS采样开关的误差消除技术a)采用一个“虚拟”的MOS开关，其电荷注入效应和采样开关相反。如图，当采样开关断开时，采样开关有电荷注入采样电容。则虚拟开关接通，从采样开关上吸收相等数量的电荷。假设M1有一半电荷注入到采样电容。则：()thninDDoxVVVCLWq−−=Δ2111()thninDDoxVVVCLWq−−=Δ12222121212WWLLqq==∴Δ=Δ⇒Q由于M1的电荷分配是复杂的，因此只能部分消除1qΔMOS采样开关的误差消除技术“虚拟”开关同样对时钟馈通效应有抑制作用。假定采用上述的设计，则：21212WWLL==Q22112OVovovOVCCWCWC===∴M1、M2的交叠电容相等。因为电压的变化值相等，直观上，M1交叠电容上的电荷全部转移到M2的交叠电容上。使输出电压保持不变。022212211=+++++−HovovovckHovovovckCCWCWCWVCCWCWCWVMOS采样开关的误差消除技术b)采用CMOS开关NMOS和PMOS分别注入电子和空穴。假设开关关断时，沟道中的电荷全部注入采样电容。使：pnqqΔ=Δ()()thpinoxthninDDoxVVCLWVVVCLW−=−−2211则，电荷注入效应能够消除，但是，pnqqΔ=Δ仅对某一个输入电压值成立。因为NMOS和PMOS的交叠电容值不同。因此，时钟馈通效应不能被消除。MOS采样开关的误差消除技术c)采用差分结构()11111thninDDoxVVVCLWq−−=ΔQ()22222thninDDoxVVVCLWq−−=Δ21MM=Q()()[]()()121212122122inFinFoxininoxthnthnininoxVVWLCVVWLCVVVVWLCqq+−++−=−+−=Δ−Δφφγ上式中，第一项表示增益误差，和单NMOS开关相同。第二项表示二个单NMOS的非线性误差之差。差分结构没有直流偏差。MOS采样开关的误差消除技术d.下极板技术CMOS工艺中电容的下极板带有较大的寄生电容，因此，一般将电路中的关键节点和电容的上极板相连。例如，在上述的开关电容电路中，电荷守恒的节点x是关键节点。将电容上极板和节点x相连，减小x点的寄生电容，这种技术称为“下极板采样”技术。开关电容放大器单位增益采样器针对离散时间的应用，需要采样电路。例如：ADC前端采样。开关s1对电容注入与输入有关的电荷影响了采样精度。如图是一种单极板采样器。采样：S1和S2导通，S3断开0≈=∴xoutVV采样电容上的电压跟踪输入电压。0=∴=−=xxxoutVVAVVQ开关电容放大器放大：S1和S2断开，S3导通0VVout=∴00VVttin==因为，x点电荷守恒，控制开关时钟顺序克服沟道电荷注入问题。9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，()thxckoxVVVCLWq−−=Δ220≈xVQS2的沟道电荷注入值是固定的，相当于直流失调。显然，直流失调误差可以用差分结构消除。开关电容放大器9考虑S1的电荷注入，假定，x点对地的总电容为：XC因为S2已经断开，x点的总电荷不变。假定初始总电荷为零，则：()00=⇒⎩⎨⎧−==−−outxoutHxoutXxVAVVCVVCV结论为，当S1断开后，x点的总电荷不变。S1的电荷注入没有影响。9考虑S3的电荷注入因为在反馈电路稳定后，采样电容上的电荷稳定，与S3无关，因此S3的沟道电荷全部由运放提供。开关电容放大器精度问题：由于运放的增益有限引入了误差采样过程：0=∴==−xxoutxVVVAVQCin上的电荷为零。0VVin=QCH上的电荷为。X点的总电荷为HCV0HCV0−放大过程：Cin上的电荷为。inxCVHinxCVCV0CH上的电荷为+()xHHinxoutVCCVCVV=+−∴/0outxVAV=−()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−≈++=∴1111/1100HinVHinVoutCCAVCCAVV↓↑∴inVCA,开关电容放大器速度问题：可以针对采样和放大过程的电路分别求时延。采样过程：和采样电容串接的电阻可分为RxRon,1是x点对地的总电阻。Rx()xonxxmxVRIRVGI=+−200201RGRRIVRmonxxx++==2001onmRRRG若开环增益mxGR1≈∴采样时间常数：()HmonCGR11+≈τ开关电容放大器放大过程：对x点，初值产生跳变，000VVVtouttout==∞==0VVx−=因为，CL很大，两端电压不能跳变00=∴=toutV00VVx−→CH的两端电压同样不能跳变。=∴Cin的值很小，很少的电荷变化可使其两端电压跳变。可假定线性模型利用等效电路求时间常数（不考虑转换）()()mLCCCHmLHHininLGCCGCCCCCCHLin/,⎯⎯⎯⎯→⎯++=τ开关电容积分器电阻等效：A、B两端之间接电阻R，RVVIBA−=电流I的作用是在一定时间内将定量电荷从A移动到B。考虑电容C：S1、S2由不交叠时钟控制S1导通，对C充电，ACVQ=S2导通，C上的电荷，BCVQ=有电荷从A流到B：一个周期内，()BAVVCQ−=Δ()()1/−==⇒−=CfCTRTVVCIeqBAeq↑↑⇒↑⇒=Δ↓↑→↑↑→Δ↑⇒