《CMOS模拟系统设计》课程教学课件（讲稿）第04章 开关电容电路

西安交通大学研究生课程XIAN JIAOTONG UNIVERSITYCMOS模拟系统设计第4章开关电容电路微电子学院张鸿hongzhang@xjtu.edu.cn

研究生课程 CMOS模拟系统设计 第4章 开关电容电路 微电子学院 张 鸿 hongzhang@xjtu.edu.cn

主要内容概述1采样开关及其非理想特性■开关电容放大器1开关电容积分器西安文道大学Lec.#4.开关电容电路NISTNJAOTON2/68Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 2 /68 Lec. #4. 开关电容电路 主要内容  概述  采样开关及其非理想特性  开关电容放大器  开关电容积分器

OTA在电阻型反馈网络中的面临的问题OTA输出电阻R。ut太高，使反馈网络的环路增益降低R2R2WR1R1VinoVinoWoVoutAWoVout+Rout:-AvVxVx告吉VoutVinVoutVinV+I=VoulAVirRout1R +RRi+R2RI +R2RourA,R2VoutR2R2RoutVinR1Loopgain1++A,+RiR1RRLoopgainR,R+RVVo200R2R, +R,+RRonR1R 1+AR 1+ARR, +R+Rou +A,RR, +R,R + R, +Rou西安文通大学Lec.#4.开关电容电路3/68LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 3 /68 Lec. #4. 开关电容电路 OTA在电阻型反馈网络中的面临的问题 OTA输出电阻Rout太高，使反馈网络的环路增益降低 1 2 1 out in v in out V V A RV V R R           1 2 21 1 1 2 1 1 v out in v R A V R R R V R R A R R      1 2 2 1 1 21 1 1 2 1 + + + 1 + v out out out in out v v out R A V R RR R R V R R R R AR R A R RR        Loop gain Loop gain

OTA+电容反馈电容直流电阻为0，，可以用于OTA实现反馈C2C2Rout较大+=0RoutHC1C1XVin o-VinoHHoVoutoVout+Rout-AVxVxIBOpC.CVCs+outiNoCA,βop(C,/C2)+CA.βC21+AVC, 1+ A,β+CS1+A.Bo,V.A.βC1outV.mC, 1+ A,βsC,决定零点(右半平面)VCABA/(R.C)out电容反馈不影响低频增益Vin1+A.BsC,决定极点频率仅引入高频的零极点A./(RC)西安文通大学Lec.#4.开关电容电路4/68Labof Mixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 4 /68 Lec. #4. 开关电容电路 OTA + 电容反馈  电容直流电阻为∞，可以用于OTA实现反馈 2 1 21 2 2 2 1 1 v out in v C A V C CC V C C A C C      1 1 2 2 1 ( ) 1 1 out v v P in v v P s V A C A CC V CA s A                    1   2 1 out v in v V A C V CA      1 2 1 2 1 P out C C R C C    1 2 2 1 1 ( ) 1 1 ( ) out v v out in v v out s V A C A RC V CA s A RC                    β C2决定零点(右半平面) C1决定极点频率 电容反馈不影响低频增益 仅引入高频的零极点 Rout = 0 Rout 较大

如何确定OTA的直流工作点？电容反馈有明显的优点，需要确定运放工作点RA没有直流通路加入反馈电阻C2C2确定直流C1C1XVinoVinooVoutoVout1适用于高频信号的放大VinRFVoutC25(S)~7VinCisRF+VoutC2sRrCistRrC2s+1阶跃响应高通截止频率为1/(RC2)（受限于RC时间常数）西安文通大学Lec.#4.开关电容电路NIVELJAOTONC5/68Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 5 /68 Lec. #4. 开关电容电路 如何确定OTA的直流工作点?  电容反馈有明显的优点，需要确定运放工作点 没有直流通路 加入反馈电阻 确定直流 高通截止频率为1/(RFC2)  适用于高频信号的放大 阶跃响应 （受限于RC时间常数）

如何确定OTA的直流工作点？RFC2CCVinofinoVoutoVoutVB用开关替代电阻S导通时：单位反馈，V.=V=VB,确定运放工作点S,断开时：X点保持其电压，运放放大交流信号S导通期间运放无放大能力西安文道大学Lec.#4.开关电容电路NIESITLJIAOTONC6/68LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 6 /68 Lec. #4. 开关电容电路 如何确定OTA的直流工作点?  用开关替代电阻  S2导通时：单位反馈，V– = V+= VB, 确定运放工作点  S2断开时：X点保持其电压，运放放大交流信号  S2导通期间运放无放大能力

实用的SC放大器S2C2非S1CAVino时域波形VoutpS3Vin>SSSVinoVAS1,S2导通S1.S,断开Ss断开S3导通VouttoC2CNVinot时刻(S,断开的时刻)的Vino-C1oVoutVm值被放大(C/C)倍oVout采样模式放大模式西安文通大学Lec.#4.开关电容电路NIYEESIELJAOTON7/68Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 7 /68 Lec. #4. 开关电容电路 实用的SC放大器 采样模式 S1，S2导通 S3断开 放大模式 S1，S2断开 S3导通 时域波形 t0时刻(S1断开的时刻)的 Vin值被放大(C1/C2)倍

电荷守恒：SC电路放大电压的基本原理CQinoloutQinoto时刻：Qci=VinoCit之后，C,左侧突变为0，因电荷守恒，运放负端突变为(0-Vmo)之后，运放通过C,的负反馈将负端拉回0，等效为电荷被转移至C,上Vour C,=VinoC, →> Vout=Vino(C,/C2)西安文通大学Lec.#4.开关电容电路NIVEESIE8/68Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 8 /68 Lec. #4. 开关电容电路 电荷守恒：SC电路放大电压的基本原理  t0时刻：QC1 = Vin0C1  t0之后，C1左侧突变为0，因电荷守恒，运放负端突变为(0-Vin0)  之后，运放通过C2的负反馈将负端拉回0，等效为电荷被转移至C2上 VoutC2=Vin0C1  Vout=Vin0(C1/C2)

开关电容VS连续时间SR2Q:RVinOVnVoutoVout对某个点的采样值放大，半个周期不工作连续对信号放大运放在两个模式的工作状态差异很大，需没有明显的状态差异要考虑稳定性问题S,经常导通，以补偿X点的泄漏电流稳态下C2中不流过电流，不影响运放的开R,和R,降低了运放的开环增益环增益西安文通大学Lec.#4.开关电容电路NIESITNMAOTON9/68LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 9 /68 Lec. #4. 开关电容电路 开关电容VS连续时间  连续对信号放大  没有明显的状态差异  R1和R2降低了运放的开环增益  对某个点的采样值放大，半个周期不工作  运放在两个模式的工作状态差异很大，需 要考虑稳定性问题  S2经常导通，以补偿X点的泄漏电流  稳态下C2中不流过电流，不影响运放的开 环增益

SC电路的一般形式VinooVoutCKSampleCKAmplify采样相+放大相需要一个控制时钟运放和开关决定了SC电路的性能西安文通大学Lec.#4.开关电容电路NIESITNJIAOTON10/68LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 10 /68 Lec. #4. 开关电容电路 SC电路的一般形式  采样相+放大相  需要一个控制时钟  运放和开关决定了SC电路的性能