第14章 MOS开关电容电路

第14章 MOS开关电容电路
概述 14.1 开关电容等效电阻电路 14.2 开关电容积分器 14.3 开关电容低通滤波器
作业
概述
MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电 容组成，电路在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和 转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构 成多种功能的电路。如SC等效电阻电路、SC积分电路、 SC滤波电路等。 为了突出对开关电容基本工作原理的论述，假定各元 件具有理想特性，即模拟开关的导通电阻为零，关断电 阻为无限大，不存在寄生电容；并假定模拟开关栅电压 的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定MOS电 容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放 大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。 用MOSFET构成的模拟开关可 用简单的单掷开关符号表示。
(1)采样频率fc应比信号最高频率fs高得多，即要求fc>>fs， 才能使被采样的信号不失真地被还原。
(2)1端和2端的电压V1和V2不能受开关闭合的影响，这样可 避免开关闭合时，引起电路瞬变和瞬时信号电平的变化。
二、串联型开关电容等效电阻电路 当φ为高电平时，M1导通M2截止， 电容C1上存储电荷量Q为：Q＝C1(V1V2)。 当φ为低电平时，M2导通M1截止，电容C1通过M2放电， 电容C1上电荷量变为零。
作业
14.1、14.2、14.3、14.4
CP的存在改变了积分器的特性，而且CP是随加在其两 端电压的不同而变化的非线性电容，这就失去了开关电 容积分器易于得到准确和稳定的时间常数的优点。然而 这些电容是在制造开关电容积分器时不可避免的，因此 需要设法在电路结构上解决。
当φ为高电平时，开关S1、S2接通，S3、S4断开，此 时输出电压Vo为 CP2和C1被充电到等于Vi的电压，而CP3因为和运算 放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。 在φ为低电平时，S1和S2断开，S3和S4接通，此时 CP2、CP3和C1被短路。 可见，在一个时钟周期内，CP2和CP3都不会影响电 路中电荷的正常转移，从而消除了寄生电容对积分器 性能的影响。
14.1 开关电容等效电阻电路
SC等效电阻电路由MOS模拟开关和MOS电容组成， 这种电路可以等效为一个电阻。
根据MOS开关和MOS电容在电路中的连接方式不 同，可以分为串联型和并联型两种。 规定所有的MOS开关和MOS电容均接在串臂的， 称为串联型。
MOS开关或MOS电容或它们两者均接在并臂的， 称为并联型。
在开关接通和断开的一个周期Tc内，电容C1上的电荷 变化量△Q为：△Q＝C1(V1-V2)。可见，△Q与并联型SC 等效电阻电路在开关接通和断开的一个周期内电容C1上 的电荷变化量相同。所以此电路在一个周期Tc内，1端 向2端传递的平均电流和此电路的等效电阻Reff的表达式， 与并联型SC等效电阻电两个MOS模拟开关管M1、M2分别受两 相互补时钟控制，它们具有同频、相位 相反、振幅相等而不重叠的特性。 当φ为高电平时，M1导通M2截止， 相当于简化图中的开关S1接向l端。电 压V1向电容Cl充电至V1，此时电容C1 上储存的电荷量为Q1＝Cl.V1。 当φ为低电平时，M2导通M1截止，相当于开关S1接向 2端。电容C1通过2端的负载放电形成电压V2，电容Cl上 储存的电荷量为Q2＝Cl.V2 。在这个过程中，通过电容C1 从1端传送至2端的电荷量△Q为
14.3 开关电容低通滤波器
只利用MOS开关和电容即可构成简单的滤波器，不需 要制作电阻。此外，网络的频率响应取决于时钟频率及 两个电容的比值，而与电容的绝对数值无关。
对于有源低通滤波器，因要求RC乘积大，而且精度高， 故这种电路过去一直难以实现集成化。SC电路的出现， 解决了这一难点。因为SC低通滤波电路不仅不需用电阻， 而且电路的截止频率和电压增益只与电容比有关，而与 电容的绝对值无关。因此开关电容的利用，为滤波器的 单片集成找到了理想的途径。目前，开关电容滤波器已 成为大规模集成电路研究领域中的一个重要方面。
14.2 开关电容积分器
当fc一定时，SC积分器的传递函数只与C1和C2的比值 有关，而与它们的绝对值无关。
在集成电路工艺中，要获得精确的电容值很难，而要 获得精确的电容比却不难实现。采用特种工艺，电容比 的精度可达到0.0l％，并且具有良好的温度稳定性。 这种积分器的缺点是寄生电容的影响较大。
CPl是模拟开关管M1源-衬底的寄生电容，CP2和CP3是M1和M2的 漏—衬底电容以及与电容C1相关的上极板和互连线的寄生电容， CP4是M2的源—衬底电容和运算放大器的输入电容，CP5和CP6是与 积分电容C2相关的上下极板的寄生电容。 各寄生电容对电路性能的影响不同，CPl与信号源并联，通常信 号源内阻较小，所以CPl的影响可忽略。 CP2和CP3直接与C1并联， 其影响必须考虑，令CP＝CP2+CP3，C1’＝C1+CP。若运算放大器具 有理想特性，则CP4和CP5的影响可以忽略，可以看作运算放大器 负载的电容CP6的影响也可忽略。综上所述，如果输入信号源的内 阻足够小，且运算放大器具有理想特性，则只需考虑CP2和CP3的 影响，其作用相当于使C1的值增加了Cp。
时间常数将只取决于时钟频率和两个电容Cl和C的比值。而时钟 频率通常比较稳定、准确，所以时间常数将主要取决于C1／C。在 MOS集成电路工艺中，两个电容的比值主要取决于电容的版图设计 尺寸和光刻偏差，这些是比较容易控制的。所以，把电阻比和时 间常数的精确控制归结到电容比值的控制是非常有利的。 开关电容电路易于实现稳定、准确的时间常数。而在模拟电路 中常遇到与时间有关的特性，如频率特性、延迟特性等，因此 MOS开关电容电路得到了广泛的应用，并促进了模拟集成电路的 发展。 要注意两个条件：
当电容C1固定时，改变时钟频率可以调节等效电阻的大小。 同时，只要精确控制时钟频率和电容C1的数值，就可以得到精 确的等效电阻。而要做到这一点，比直接做一个精确的电阻要容 易得多，而且可以缩小芯片面积。例如，一般MOS电容C1的数值 在0.1～100pF左右，如果取C1＝lpF，时钟频率fc＝100kHz，则 可得到一个10MΩ的等效电阻。而一个lpF的MOS电容的面积约为 0.0lmm2，为制造10MΩ电阻所需面积的1％。故采用MOS模拟开关 电容电路代替电阻，将大大有利于MOS模拟电路集成度的提高。