第14章MOS開關(guān)電容電路

1、第第14 14章章 MOSMOS開關(guān)電容電路開關(guān)電容電路14.2 14.2 開關(guān)電容積分器開關(guān)電容積分器14.1 14.1 開關(guān)電容等效電阻電路開關(guān)電容等效電阻電路作業(yè)作業(yè)14.3 14.3 開關(guān)電容低通濾波器開關(guān)電容低通濾波器概述概述概述概述 MOS MOS開關(guān)電容電路開關(guān)電容電路(SC(SC電路電路) )是是由由MOSMOS模擬開關(guān)和模擬開關(guān)和MOSMOS電電容組成容組成，電路在時鐘信號的控制下，電路在時鐘信號的控制下，完成電荷的存儲和完成電荷的存儲和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。它和運放、比較器等基本電路組合起來，可以構(gòu)。它和運放、比較器等基本電路組合起來，可以構(gòu)成多種功能的電路。如成多種功能的電路。如SC

2、SC等效電阻電路、等效電阻電路、SCSC積分電路、積分電路、SCSC濾波電路等。濾波電路等。 為了突出對開關(guān)電容基本工作原理的論述，為了突出對開關(guān)電容基本工作原理的論述，假定各元假定各元件具有理想特性件具有理想特性，即模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻為零，關(guān)斷電，即模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻為零，關(guān)斷電阻為無限大，不存在寄生電容；并假定模擬開關(guān)柵電壓阻為無限大，不存在寄生電容；并假定模擬開關(guān)柵電壓的設(shè)計滿足使開關(guān)正常工作的條件。此外還假定的設(shè)計滿足使開關(guān)正常工作的條件。此外還假定MOSMOS電電容沒有損耗；不考慮時鐘信號的上升、下降沿；運算放容沒有損耗；不考慮時鐘信號的上升、下降沿；運算放大器的增益和輸入電阻足夠高

3、，并且頻帶足夠?qū)挕４笃鞯脑鲆婧洼斎腚娮枳銐蚋?，并且頻帶足夠?qū)挕?用用MOSFETMOSFET構(gòu)成的模擬開關(guān)可構(gòu)成的模擬開關(guān)可用簡單的單擲開關(guān)符號表示。用簡單的單擲開關(guān)符號表示。14.1 14.1 開關(guān)電容等效電阻電路開關(guān)電容等效電阻電路 SCSC等效電阻電路等效電阻電路由由MOSMOS模擬開關(guān)和模擬開關(guān)和MOSMOS電容組成，電容組成，這種電路可以等效為一個電阻。這種電路可以等效為一個電阻。 根據(jù)根據(jù)MOSMOS開關(guān)和開關(guān)和MOSMOS電容在電路中的連接方式電容在電路中的連接方式不同，可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。不同，可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。 規(guī)定所有的規(guī)定所有的MOSMOS開關(guān)和開關(guān)和M

4、OSMOS電容均接在串臂的，電容均接在串臂的，稱為稱為串聯(lián)型串聯(lián)型。 MOS MOS開關(guān)或開關(guān)或MOSMOS電容或它們兩者均接在并臂的，電容或它們兩者均接在并臂的，稱為稱為并聯(lián)型并聯(lián)型。一、并聯(lián)型開關(guān)電容等效電阻電路一、并聯(lián)型開關(guān)電容等效電阻電路 兩個兩個MOSMOS模擬開關(guān)管模擬開關(guān)管M1M1、M2M2分別受兩分別受兩相互補時鐘控制，它們具有同頻、相位相互補時鐘控制，它們具有同頻、相位相反、振幅相等而不重疊的特性。相反、振幅相等而不重疊的特性。 當(dāng)當(dāng)為高電平時，為高電平時，M1M1導(dǎo)通導(dǎo)通M2M2截止，截止，相當(dāng)于簡化圖中的開關(guān)相當(dāng)于簡化圖中的開關(guān)S1S1接向接向l l端。電端。電壓壓V1V

5、1向電容向電容ClCl充電至充電至V1V1，此時電容，此時電容C1C1上儲存的電荷量為上儲存的電荷量為Q Q1 1C Cl l.V.V1 1。 當(dāng)當(dāng)為低電平時，為低電平時，M2M2導(dǎo)通導(dǎo)通M1M1截止，相當(dāng)于開關(guān)截止，相當(dāng)于開關(guān)S1S1接向接向2 2端。電容端。電容C1C1通過通過2 2端的負(fù)載放電形成電壓端的負(fù)載放電形成電壓V2V2，電容，電容ClCl上上儲存的電荷量為儲存的電荷量為Q Q2 2C Cl l.V.V2 2 。在這個過程中，通過電容。在這個過程中，通過電容C1C1從從1 1端傳送至端傳送至2 2端的電荷量端的電荷量Q Q為為 當(dāng)電容當(dāng)電容C1C1固定時，固定時，改變時鐘頻率可以

6、調(diào)節(jié)等效電阻的大小改變時鐘頻率可以調(diào)節(jié)等效電阻的大小。同。同時，只要精確控制時鐘頻率和電容時，只要精確控制時鐘頻率和電容C1C1的數(shù)值，就可以得到精確的的數(shù)值，就可以得到精確的等效電阻。而要做到這一點，比直接做一個精確的電阻要容易得等效電阻。而要做到這一點，比直接做一個精確的電阻要容易得多，而且可以縮小芯片面積。例如，一般多，而且可以縮小芯片面積。例如，一般MOSMOS電容電容C1C1的數(shù)值在的數(shù)值在0.10.1100pF100pF左右，如果取左右，如果取C1C1lpFlpF，時鐘頻率，時鐘頻率fcfc100kHz100kHz，則可，則可得到一個得到一個10M10M的等效電阻。而一個的等效電阻

7、。而一個lpFlpF的的MOSMOS電容的面積約為電容的面積約為0.00.0lmmlmm2 2，為制造，為制造10M10M電阻所需面積的電阻所需面積的1 1。故。故采用采用MOSMOS模擬開關(guān)模擬開關(guān)電容電路代替電阻，將大大有利于電容電路代替電阻，將大大有利于MOSMOS模擬電路集成度的提高模擬電路集成度的提高。 時間常數(shù)將只取決于時鐘頻率和兩個電容時間常數(shù)將只取決于時鐘頻率和兩個電容ClCl和和C C的比值。而時鐘的比值。而時鐘頻率通常比較穩(wěn)定、準(zhǔn)確，所以頻率通常比較穩(wěn)定、準(zhǔn)確，所以時間常數(shù)將主要取決于時間常數(shù)將主要取決于C1C1C C。在。在MOSMOS集成電路工藝中，兩個電容的比值主要取

8、決于電容的版圖設(shè)計集成電路工藝中，兩個電容的比值主要取決于電容的版圖設(shè)計尺寸和光刻偏差，這些是比較容易控制的。所以，尺寸和光刻偏差，這些是比較容易控制的。所以，把電阻比和時把電阻比和時間常數(shù)的精確控制歸結(jié)到電容比值的控制是非常有利的間常數(shù)的精確控制歸結(jié)到電容比值的控制是非常有利的。 開關(guān)電容電路易于實現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時間常數(shù)。而在模擬電路開關(guān)電容電路易于實現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時間常數(shù)。而在模擬電路中常遇到與時間有關(guān)的特性，如頻率特性、延遲特性等，因此中常遇到與時間有關(guān)的特性，如頻率特性、延遲特性等，因此MOSMOS開關(guān)電容電路得到了廣泛的應(yīng)用，并促進了模擬集成電路的開關(guān)電容電路得到了廣泛的應(yīng)用，并促進

9、了模擬集成電路的發(fā)展。發(fā)展。要注意兩個條件：要注意兩個條件： (1)(1)采樣頻率采樣頻率fcfc應(yīng)比信號最高頻率應(yīng)比信號最高頻率fsfs高得多，即要求高得多，即要求fcfsfcfs，才能使被采樣的信號不失真地被還原。才能使被采樣的信號不失真地被還原。 (2)1(2)1端和端和2 2端的電壓端的電壓V1V1和和V2V2不能受開關(guān)閉合的影響，這樣可避不能受開關(guān)閉合的影響，這樣可避免開關(guān)閉合時，引起電路瞬變和瞬時信號電平的變化免開關(guān)閉合時，引起電路瞬變和瞬時信號電平的變化。二、串聯(lián)型開關(guān)電容等效電阻電路二、串聯(lián)型開關(guān)電容等效電阻電路 當(dāng)當(dāng)為高電平時，為高電平時，M1M1導(dǎo)通導(dǎo)通M2M2截止，截止，

10、電容電容C1C1上存儲電荷量上存儲電荷量Q Q為：為：Q QC1(V1-C1(V1-V2)V2)。 當(dāng)當(dāng)為低電平時，為低電平時，M2M2導(dǎo)通導(dǎo)通M1M1截止，電容截止，電容C1C1通過通過M2M2放電，放電，電容電容C1C1上電荷量變?yōu)榱?。上電荷量變?yōu)榱恪?在開關(guān)接通和斷開的一個周期在開關(guān)接通和斷開的一個周期TcTc內(nèi)，電容內(nèi)，電容C1C1上的電荷上的電荷變化量變化量Q Q為：為：Q QC1(V1-V2)C1(V1-V2)?？梢姡??？梢?，Q Q與并聯(lián)型與并聯(lián)型SCSC等效電阻電路在開關(guān)接通和斷開的一個周期內(nèi)電容等效電阻電路在開關(guān)接通和斷開的一個周期內(nèi)電容C1C1上上的電荷變化量相同。所以此電路

11、在一個周期的電荷變化量相同。所以此電路在一個周期TcTc內(nèi)，內(nèi)，1 1端端向向2 2端傳遞的平均電流和此電路的等效電阻端傳遞的平均電流和此電路的等效電阻R Reffeff的表達式，的表達式，與并聯(lián)型與并聯(lián)型SCSC等效電阻電路的相同。等效電阻電路的相同。14.2 14.2 開關(guān)電容積分器開關(guān)電容積分器 當(dāng)當(dāng)fcfc一定時，一定時，SCSC積分器的積分器的傳遞函數(shù)只與傳遞函數(shù)只與C1C1和和C2C2的比值的比值有關(guān)有關(guān)，而與它們的絕對值無關(guān)。，而與它們的絕對值無關(guān)。 在集成電路工藝中，要獲得精確的電容值很難，而在集成電路工藝中，要獲得精確的電容值很難，而要獲得精確的電容比卻不難實現(xiàn)。采用特種工藝

12、，電容要獲得精確的電容比卻不難實現(xiàn)。采用特種工藝，電容比的精度可達到比的精度可達到0.0l0.0l，并且具有良好的溫度穩(wěn)定性。，并且具有良好的溫度穩(wěn)定性。這種積分器的這種積分器的缺點缺點是寄生電容的影響較大。是寄生電容的影響較大。 CPl CPl是模擬開關(guān)管是模擬開關(guān)管M1M1源源- -襯底的寄生電容，襯底的寄生電容，CP2CP2和和CP3CP3是是M1M1和和M2M2的的漏漏襯底電容以及與電容襯底電容以及與電容C1C1相關(guān)的上極板和互連線的寄生電容，相關(guān)的上極板和互連線的寄生電容，CP4CP4是是M2M2的源的源襯底電容和運算放大器的輸入電容，襯底電容和運算放大器的輸入電容，CP5CP5和和

13、CP6CP6是與是與積分電容積分電容C2C2相關(guān)的上下極板的寄生電容。相關(guān)的上下極板的寄生電容。 各寄生電容對電路性能的影響不同，各寄生電容對電路性能的影響不同，CPlCPl與信號源并聯(lián)，通常信與信號源并聯(lián)，通常信號源內(nèi)阻較小，所以號源內(nèi)阻較小，所以CPlCPl的影響可忽略的影響可忽略。 CP2CP2和和CP3CP3直接與直接與C1C1并聯(lián)，并聯(lián)，其影響必須考慮，令其影響必須考慮，令CPCPCP2+CP3CP2+CP3，C1C1C1+CPC1+CP。若運算放大器。若運算放大器具有理想特性，則具有理想特性，則CP4CP4和和CP5CP5的影響可以忽略，可以看作運算放大器的影響可以忽略，可以看作運

14、算放大器負(fù)載的電容負(fù)載的電容CP6CP6的影響也可忽略。綜上所述，如果輸入信號源的內(nèi)的影響也可忽略。綜上所述，如果輸入信號源的內(nèi)阻足夠小，且運算放大器具有理想特性，則只需考慮阻足夠小，且運算放大器具有理想特性，則只需考慮CP2CP2和和CP3CP3的影的影響，其作用相當(dāng)于使響，其作用相當(dāng)于使C1C1的值增加了的值增加了CpCp。 CP CP的存在改變了積分器的特性，而且的存在改變了積分器的特性，而且CPCP是隨加在其兩是隨加在其兩端電壓的不同而變化的非線性電容，這就失去了開關(guān)電端電壓的不同而變化的非線性電容，這就失去了開關(guān)電容積分器易于得到準(zhǔn)確和穩(wěn)定的時間常數(shù)的優(yōu)點。然而容積分器易于得到準(zhǔn)確和

15、穩(wěn)定的時間常數(shù)的優(yōu)點。然而這些電容是在制造開關(guān)電容積分器時不可避免的，因此這些電容是在制造開關(guān)電容積分器時不可避免的，因此需要設(shè)法在電路結(jié)構(gòu)上解決。需要設(shè)法在電路結(jié)構(gòu)上解決。 當(dāng)當(dāng)為高電平為高電平時，開關(guān)時，開關(guān)S1S1、S2S2接通，接通，S3S3、S4S4斷開，此斷開，此時輸出電壓時輸出電壓VoVo為為 CP2 CP2和和C1C1被充電到等于被充電到等于ViVi的電壓，而的電壓，而CP3CP3因為和運算因為和運算放大器的輸入端相連，所以兩端的電壓為零。放大器的輸入端相連，所以兩端的電壓為零。 在在為低電平為低電平時，時，S1S1和和S2S2斷開，斷開，S3S3和和S4S4接通，此時接通，此

16、時CP2CP2、CP3CP3和和C1C1被短路。被短路。 可見，在可見，在一個時鐘周期一個時鐘周期內(nèi)，內(nèi)，CP2CP2和和CP3CP3都不會影響電都不會影響電路中電荷的正常轉(zhuǎn)移，從而消除了寄生電容對積分器路中電荷的正常轉(zhuǎn)移，從而消除了寄生電容對積分器性能的影響。性能的影響。14.3 14.3 開關(guān)電容低通濾波器開關(guān)電容低通濾波器 只利用只利用MOSMOS開關(guān)和電容即可構(gòu)成簡單的濾波器，不需開關(guān)和電容即可構(gòu)成簡單的濾波器，不需要制作電阻。此外，網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)取決于時鐘頻率及要制作電阻。此外，網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)取決于時鐘頻率及兩個電容的比值，而與電容的絕對數(shù)值無關(guān)。兩個電容的比值，而與電容的絕對數(shù)值無關(guān)。 對于有源低通濾波器，因要求對于有源低通濾波器，因要求RCRC乘積大，而且精度高，乘積大，而且精度高，故這種電路過去一直難以實現(xiàn)集成化。故這種電路過去一直難以實現(xiàn)集成化。SCSC電路的出現(xiàn)，電路的出現(xiàn)，解決了這一難點。因為解決了這一難點。因為