Demystifying Switched-capacitor Circuits

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Demystifying Switched-capacitor Circuits

ContentS:
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiChapter 1: Basic MOS Device Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 MOS Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Basic Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Scaling of MOS Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 MOSFET Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Switch On-Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Charge Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 MOSFET Capacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Chapter 2: Operational Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Two-Stage Op-Amps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Telescopic and Folded-Cascode Op-Amps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Appendix 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Chapter 3: Switched-Capacitor Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Switched-Capacitor Resistor Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 SC Resistor Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 The Advantages of SC Resistor Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Capacitance Ratios versus Circuit Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Switched-Capacitor Integrators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Parasitic-Sensitive SC Integrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40ContentsContentsviii Parasitic-Insensitive SC Integrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Fully Differential Integrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4 CMOS Sample-and-Hold Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Performance Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Testing S&H Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 CMOS S&H Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.5 Switched-Capacitor Interpolators and Decimators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 SC Interpolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 SC Decimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.6 Signal-Flow-Graph Analysis of Switched-Capacitor Circuits . . . . . . . . . . . . . . 77 Signal-Flow-Graph Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Mason’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Appendix 3.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Chapter 4: Switched-Capacitor Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .894.2 Low-Order Switched-Capacitor Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 First-Order SC Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Second-Order SC Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Area-Efficient High-Q SC Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3 High-Order Switched-Capacitor Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Realizations of SC Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Biquad Ordering and Dynamic Range Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Design Example: An Elliptical Low-Pass SC Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.4 High-Frequency CMOS Switched-Capacitor Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Appendix 4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Chapter 5: Switched-Capacitor Data Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.2 Performance Parameters of Data Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 DAC Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 ADC Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 INL, DNL, and Quantization Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.3 Nyquist-Rate DACs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Integrated Nyquist-Rate DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Nyquist-Rate SC DACs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Matching Accuracy of Data Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.4 Nyquist-Rate ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Flash ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Contentsix Two-Step ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Pipelined ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Cyclic ADCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Successive-Approximation ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855.5 Oversampling Data Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Nyquist Rate versus Oversampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Noise Shaping and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Types of ∆Σ Modulators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 ∆Σ Modulators with Single-Bit Quantization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 ∆Σ Modulators with Multibit Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Appendix 5.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216Chapter 6: Switched-Capacitor DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2236.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Types of SC DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Applications of SC DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2266.2 Dickson Charge-Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Conventional Dickson Charge-Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Improved Dickson Charge-Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2286.3 Cross-Coupled SC Step-Up DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2326.4 SC Step-Down DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2366.5 Multiple-Gain SC DC-DC Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243Chapter 7: Advanced Switched-Capacitor Circuit Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.2 Low-Voltage SC Circuits Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 The Low-Voltage Challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Clock Boosting and Switch Bootstrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Switched Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.3 Accuracy-Enhancement Techniques for SC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 The Imperfect Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Autozeroing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Correlated Double-Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266Chapter 8: Design of SC Delta-Sigma Modulators for Multistandard RF  Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2718.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 The Multistandard Challenge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272Contentsx ∆Σ Modulator for Multistandard RF Receiver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Chapter Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2748.2 Receiver Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Figures of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Conventional Super-Heterodyne Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Zero-IF (Direct-Conversion) Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Low-IF Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Wideband IF Double-Conversion Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Digital-IF Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Modulator Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2818.3 System-Level ∆Σ Modulator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 IF Frequencies and OSRs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 ∆Σ Modulator Design for GSM and DECT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 ∆Σ Modulator Design for WCDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Sizing the Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Nonidealities in ∆Σ Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2878.4 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 SC Integrators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Operational Transconductance Amplifier (OTA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Quantizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3008.5 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3018.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

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