第14章MOS开关电容电路

1、第第14 14章章 MOSMOS开关电容电路开关电容电路14.2 14.2 开关电容积分器开关电容积分器14.1 14.1 开关电容等效电阻电路开关电容等效电阻电路作业作业14.3 14.3 开关电容低通滤波器开关电容低通滤波器概述概述概述概述 MOS MOS开关电容电路开关电容电路(SC(SC电路电路) )是是由由MOSMOS模拟开关和模拟开关和MOSMOS电电容组成容组成，电路在时钟信号的控制下，电路在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和完成电荷的存储和转换转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构。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。如成多种功能的电路。如SC

2、SC等效电阻电路、等效电阻电路、SCSC积分电路、积分电路、SCSC滤波电路等。滤波电路等。 为了突出对开关电容基本工作原理的论述，为了突出对开关电容基本工作原理的论述，假定各元假定各元件具有理想特性件具有理想特性，即模拟开关的导通电阻为零，关断电，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。此外还假定的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定MOSMOS电电容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放容没有损耗；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

3、，并且频带足够宽。大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。 用用MOSFETMOSFET构成的模拟开关可构成的模拟开关可用简单的单掷开关符号表示。用简单的单掷开关符号表示。14.1 14.1 开关电容等效电阻电路开关电容等效电阻电路 SCSC等效电阻电路等效电阻电路由由MOSMOS模拟开关和模拟开关和MOSMOS电容组成，电容组成，这种电路可以等效为一个电阻。这种电路可以等效为一个电阻。 根据根据MOSMOS开关和开关和MOSMOS电容在电路中的连接方式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。不同，可以分为串联型和并联型两种。 规定所有的规定所有的MOSMOS开关和开关和M

4、OSMOS电容均接在串臂的，电容均接在串臂的，称为称为串联型串联型。 MOS MOS开关或开关或MOSMOS电容或它们两者均接在并臂的，电容或它们两者均接在并臂的，称为称为并联型并联型。一、并联型开关电容等效电阻电路一、并联型开关电容等效电阻电路 两个两个MOSMOS模拟开关管模拟开关管M1M1、M2M2分别受两分别受两相互补时钟控制，它们具有同频、相位相互补时钟控制，它们具有同频、相位相反、振幅相等而不重叠的特性。相反、振幅相等而不重叠的特性。 当当为高电平时，为高电平时，M1M1导通导通M2M2截止，截止，相当于简化图中的开关相当于简化图中的开关S1S1接向接向l l端。电端。电压压V1V

5、1向电容向电容ClCl充电至充电至V1V1，此时电容，此时电容C1C1上储存的电荷量为上储存的电荷量为Q Q1 1C Cl l.V.V1 1。 当当为低电平时，为低电平时，M2M2导通导通M1M1截止，相当于开关截止，相当于开关S1S1接向接向2 2端。电容端。电容C1C1通过通过2 2端的负载放电形成电压端的负载放电形成电压V2V2，电容，电容ClCl上上储存的电荷量为储存的电荷量为Q Q2 2C Cl l.V.V2 2 。在这个过程中，通过电容。在这个过程中，通过电容C1C1从从1 1端传送至端传送至2 2端的电荷量端的电荷量Q Q为为 当电容当电容C1C1固定时，固定时，改变时钟频率可以

6、调节等效电阻的大小改变时钟频率可以调节等效电阻的大小。同。同时，只要精确控制时钟频率和电容时，只要精确控制时钟频率和电容C1C1的数值，就可以得到精确的的数值，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，一般多，而且可以缩小芯片面积。例如，一般MOSMOS电容电容C1C1的数值在的数值在0.10.1100pF100pF左右，如果取左右，如果取C1C1lpFlpF，时钟频率，时钟频率fcfc100kHz100kHz，则可，则可得到一个得到一个10M10M的等效电阻。而一个的等效电阻

7、。而一个lpFlpF的的MOSMOS电容的面积约为电容的面积约为0.00.0lmmlmm2 2，为制造，为制造10M10M电阻所需面积的电阻所需面积的1 1。故。故采用采用MOSMOS模拟开关模拟开关电容电路代替电阻，将大大有利于电容电路代替电阻，将大大有利于MOSMOS模拟电路集成度的提高模拟电路集成度的提高。 时间常数将只取决于时钟频率和两个电容时间常数将只取决于时钟频率和两个电容ClCl和和C C的比值。而时钟的比值。而时钟频率通常比较稳定、准确，所以频率通常比较稳定、准确，所以时间常数将主要取决于时间常数将主要取决于C1C1C C。在。在MOSMOS集成电路工艺中，两个电容的比值主要取

8、决于电容的版图设计集成电路工艺中，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，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，因此中常遇到与时间有关的特性，如频率特性、延迟特性等，因此MOSMOS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开关电容电路得到了广泛的应用，并促进

9、了模拟集成电路的发展。发展。要注意两个条件：要注意两个条件： (1)(1)采样频率采样频率fcfc应比信号最高频率应比信号最高频率fsfs高得多，即要求高得多，即要求fcfsfcfs，才能使被采样的信号不失真地被还原。才能使被采样的信号不失真地被还原。 (2)1(2)1端和端和2 2端的电压端的电压V1V1和和V2V2不能受开关闭合的影响，这样可避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二、串联型开关电容等效电阻电路 当当为高电平时，为高电平时，M1M1导通导通M2M2截止，截止，

10、电容电容C1C1上存储电荷量上存储电荷量Q Q为：为：Q QC1(V1-C1(V1-V2)V2)。 当当为低电平时，为低电平时，M2M2导通导通M1M1截止，电容截止，电容C1C1通过通过M2M2放电，放电，电容电容C1C1上电荷量变为零。上电荷量变为零。 在开关接通和断开的一个周期在开关接通和断开的一个周期TcTc内，电容内，电容C1C1上的电荷上的电荷变化量变化量Q Q为：为：Q QC1(V1-V2)C1(V1-V2)。可见，。可见，Q Q与并联型与并联型SCSC等效电阻电路在开关接通和断开的一个周期内电容等效电阻电路在开关接通和断开的一个周期内电容C1C1上上的电荷变化量相同。所以此电路

11、在一个周期的电荷变化量相同。所以此电路在一个周期TcTc内，内，1 1端端向向2 2端传递的平均电流和此电路的等效电阻端传递的平均电流和此电路的等效电阻R Reffeff的表达式，的表达式，与并联型与并联型SCSC等效电阻电路的相同。等效电阻电路的相同。14.2 14.2 开关电容积分器开关电容积分器 当当fcfc一定时，一定时，SCSC积分器的积分器的传递函数只与传递函数只与C1C1和和C2C2的比值的比值有关有关，而与它们的绝对值无关。，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

12、，电容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比的精度可达到0.0l0.0l，并且具有良好的温度稳定性。，并且具有良好的温度稳定性。这种积分器的这种积分器的缺点缺点是寄生电容的影响较大。是寄生电容的影响较大。 CPl CPl是模拟开关管是模拟开关管M1M1源源- -衬底的寄生电容，衬底的寄生电容，CP2CP2和和CP3CP3是是M1M1和和M2M2的的漏漏衬底电容以及与电容衬底电容以及与电容C1C1相关的上极板和互连线的寄生电容，相关的上极板和互连线的寄生电容，CP4CP4是是M2M2的源的源衬底电容和运算放大器的输入电容，衬底电容和运算放大器的输入电容，CP5CP5和和

13、CP6CP6是与是与积分电容积分电容C2C2相关的上下极板的寄生电容。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，各寄生电容对电路性能的影响不同，CPlCPl与信号源并联，通常信与信号源并联，通常信号源内阻较小，所以号源内阻较小，所以CPlCPl的影响可忽略的影响可忽略。 CP2CP2和和CP3CP3直接与直接与C1C1并联，并联，其影响必须考虑，令其影响必须考虑，令CPCPCP2+CP3CP2+CP3，C1C1C1+CPC1+CP。若运算放大器。若运算放大器具有理想特性，则具有理想特性，则CP4CP4和和CP5CP5的影响可以忽略，可以看作运算放大器的影响可以忽略，可以看作运

14、算放大器负载的电容负载的电容CP6CP6的影响也可忽略。综上所述，如果输入信号源的内的影响也可忽略。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，则只需考虑阻足够小，且运算放大器具有理想特性，则只需考虑CP2CP2和和CP3CP3的影的影响，其作用相当于使响，其作用相当于使C1C1的值增加了的值增加了CpCp。 CP CP的存在改变了积分器的特性，而且的存在改变了积分器的特性，而且CPCP是随加在其两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。然而容积分器易于得到准确和

15、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。需要设法在电路结构上解决。 当当为高电平为高电平时，开关时，开关S1S1、S2S2接通，接通，S3S3、S4S4断开，此断开，此时输出电压时输出电压VoVo为为 CP2 CP2和和C1C1被充电到等于被充电到等于ViVi的电压，而的电压，而CP3CP3因为和运算因为和运算放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。 在在为低电平为低电平时，时，S1S1和和S2S2断开，断开，S3S3和和S4S4接通，此时接通，此

16、时CP2CP2、CP3CP3和和C1C1被短路。被短路。 可见，在可见，在一个时钟周期一个时钟周期内，内，CP2CP2和和CP3CP3都不会影响电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。性能的影响。14.3 14.3 开关电容低通滤波器开关电容低通滤波器 只利用只利用MOSMOS开关和电容即可构成简单的滤波器，不需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。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，因要求对于有源低通滤波器，因要求RCRC乘积大，而且精度高，乘积大，而且精度高，故这种电路过去一直难以实现集成化。故这种电路过去一直难以实现集成化。SCSC电路的出现，电路的出现，解决了这一难点。因为解决了这一难点。因为