Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Chung-Yu Wu - Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
61
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
29 Мб
Скачать
☆

14-10 CHUNG-YU WU

Sampled-Data Waveforms 1. Return-to-zero waveforms

vae

va

 

 

 

 

≡

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

1T

2T

 

4T

 

 

 

 

 

0T

3T

5T

 

 

 

 

 

t

v o

 

 

 

 

 

0T

1T

2T

3T

4T

5T

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (t)−

o

 

Va (t)

 

0T

1T

2T

3T

4T

5T

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (t)−+

o

 

Vb (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

(z)=V e (z) +

 

V

0

(z) =

V e (z)

 

 

 

 

V 0

(z) =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Similarly, we have V

(z)=

V e (z) +V 0

(z) =

V 0

 

(z)

V e (z) =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

b

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

2. Full-clock-period (Full-cycle) sample-and-hold waveforms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vc (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vc e

 

1T

2T

3T

4T

5T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1T

 

 

2T

3T

 

 

4T

 

5T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1T

2T

3T

4T

5T

 

 

 

Vc(z)=

V e

(z)+

V 0 (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V 0 (z)=Z −

 

 

 

V e (z) (QV 0 (kT)= V e [(k-1)T])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Similarly, we have V

(z)=

 

V e (z)+V

0 (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

d

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

t

14-11 CHUNG-YU WU

 

V e (z)=Z −

1

V 0

(z)

 

2

 

d

 

d

 

 

φ or φ

 

 

 

 

+

 

 

 

V (t)+

−

 

 

 

−

vc ,vd

 

C

 

 

 

Full-cycle S/H circuit

§14-3 Filter Design Process

1.Specification

(1)Low-Pass Filter Specification:

H (jω)

TransitionBand

 

Gain

TB

 

S : PB _ ripple

dB

S

 

 

 

Passband

Stopband

SB

 

SB

 

attenuation

 

PB

 

 

 

 

 

ωO

ωS

ω

 

Actual − filter −response

Cutoff − frequency Stopband − frequency

delay sec

actual − delay − function

ω

ωC

 

Start

 

 

Specification

 

No

Satisfied

 

?

 

 

Yes

 

 

Approximation

 

 

Satisfied

No

 

?

 

Yes

 

 

Realization

 

 

Satisfied

No

 

?

 

Yes

 

 

Stop

 

14-12 CHUNG-YU WU

(2) Band-Pass Filter

 

 

 

SBH

SP

 

PB

TBH

TBL

 

ωSL

ωCL

 

ω

 

ωCHωSH

2.Approximation

(1)Classical approximation

a.Butterworth

b.Chebyshev

c.Elliptic

d.Bessel

(2)Modern approximation

3.Realization Two methods:

(1)Realization of the biquad (2nd order filter)and the first-order filter >cascade or couple them to form a high-order filter.

(2)Realize H(s) using LC network >replace L by some integrated-circuit

simulator or simulate the LC network using integrators. * Low-sensitivity, high-performance

14-13 CHUNG-YU WU

§14-4 SC Integrators via OP AMPS

§14-4.1 SC Inverting Integrator

φo(φe): Vc1=0

φe(φo): Vc1=V1 -V2

 

 

 

 

V1

∆Q=C1(V1-V2)

 

 

 

 

 

 

∆Q

≡ i = C

V1 −V2

= C f (V −V

) ≡

V1 −V2

 

 

 

 

 

T

1

T

1

1

2

 

R

 

 

 

 

 

 

>R=

1

f: clock frequency

C f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

>SC simulated positive resistor

Switch realizations:

i

φe (φo )

+

VC1 −

φe (φo )

 

 

C1

V2

 

 

 

φo (φe )

 

φo (φe )

 

f=100KHz, C1=10PF

> R=1MΩ

 

 

 

φoorφe

 

 

φoorφe

 

φoorφe

 

or

−VSS

+VDD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−VSS

 

 

 

 

 

 

 

E/D NMOS

 

 

φoorφe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The inverting SC integrator

 

 

 

 

 

R

C

φe

 

 

φe

C2

 

 

 

 

 

vin

 

−

vout vin

 

 

−

vout

 

 

C

 

 

 

 

+

φo

1

φo

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Operation:

(1)φo phase

14-14 CHUNG-YU WU

+−

+−

C2

vin

C

 

−

vout

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)φe phase

 

 

 

 

 

+

−

 

 

 

+

−

 

 

 

+

−

vin

+

−

+ C2

−

−

 

+ C

−

vout

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

φe

 

 

n −1

n

n +1

 

 

t

φo

 

 

t

vin

+1V

 

 

 

 

 

vout

 

 

 

 

t

 

vout (Tn )

vout (Tn+1 )

t

0V

{

 

 

 

 

 

{

 

 

 

C1

(1V )

{

 

vout (Tn−1 )

C2

 

 

 

 

 

 

14-15 CHUNG-YU WU

"Ideal OP AMP"

Vout(Tn)=Vc2(Tn)=Vout(Tn-1)- C1 Vin(Tn)

C2

=>

Vout (Tn ) −Vout (Tn −1 )

= −

 

C1

 

 

 

V

(T ) = −

1

 

V

 

(T )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

TC2

 

 

in

n

 

 

 

 

R1C2

 

 

in

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=>

d

V = −

1

V = −

 

 

 

 

1

 

 

 

 

V = −

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 )

 

 

dt

out

R1C2

 

in

 

 

 

 

 

C2

in

 

 

(C2

C1

)(

in

 

 

 

 

 

 

 

C f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

High-precision integrator time constant

 

RC=

C2

 

1

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Z-domain Expression:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vout (z)=Vout(z)Z-1

C1

Vin(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>H(z) ≡

Vout (z)

 

= −

 

(C1 C2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 − Z −1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Backward Euler Transformation:

 

S→

1− Z −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

H(S)=

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= −

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(C

2

/ C )TS

R C

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Parasitic-Free structure:

 

φe

C

φe

 

C2

 

 

 

vin

 

1

 

−

 

 

 

CP4

vout

CP1

CP2 CP3

+

φo

 

φo

 

CP6

CP5

14-16 CHUNG-YU WU

§14-4.2 Non-inverting SC Integrator

φe(φo) : Vc1=+V1

φo(φe) : Vc1=-V2

∆Q=C1(-V1-V2)

∆Q =i = −C

V1 +V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

1

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If V2=0 >i=

−C1V1

=

+V1

V1

T

 

 

 

R

> R=

T

 

= −

1

 

 

 

 

C

C f

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

> SC simulated negative resistor!

The non-inverting SC integrator:

i

φ

e

(φ

o

)

V

−

φo (φe )

 

 

 

+ C1

V2

 

 

 

 

 

C1

 

φo (φe )

 

 

φe (φo )

 

− R

 

 

C

 

φe

 

 

 

 

φo

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

vout vin

 

 

 

 

−

vout

vin

 

+

 

 

C

1

φe

+

 

 

 

 

φo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Operations:

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)φe phase

 

 

 

 

 

(2) φo phase

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

+

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

−

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

vin

+

 

−

 

vin

 

 

 

−

 

 

−

 

 

+

−

 

 

 

−

 

 

 

+

C

 

 

+

−

vout

 

 

1

 

vout

 

 

 

C

 

 

 

 

+

 

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

Vout (Tn)=Vout(Tn-1)+ C1 Vin (Tn−1 )

2

>

d

V

=

1

 

V

 

 

 

 

 

 

dt

R C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

out

 

2

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

>

Vout

(s) ≡ H (s) =

1

=

 

1

 

V

 

R C S

C2

1

S

 

in

 

 

 

 

 

1 2

 

C

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

14-17 CHUNG-YU WU

Z-domain expression:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

(z)

 

 

Z

−1 (

C1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H(z) ≡

=

 

 

C

2

 

 

 

 

out

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (z)

1

− Z −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Forward Euler Transformation: S→

1− Z −1

TZ −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H(s) ≡ +

1

= +

 

1

 

 

 

 

 

 

 

C2

)TS

R C S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(C

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Simpler non-inverting integrator!

§14-5 Fully Differential-Type SC Integrators Using OP AMPs.

φe φo

VBIAS

 

C

 

αC

 

 

+

 

 

 

 

−

vin

 

−

+

vout

 

 

VBIAS

− +

vout +

vin −

αC

 

 

 

C

 

 

 

 

*Better noise rejection

*Better CMRR and PSRR

*Better Frequency response

*Better slew rate

**More components (switches, capacitor, OP AMPs)

**Thermal noise ↑ due to the added components and switching operations.

**Need common-mode feedback or common-mode bias circuit

14-18 CHUNG-YU WU

§14-6 SC Differentiators Using OP AMPs

R

 

C1

−

 

Vin

 

Vout

 

 

 

 

+

 

 

 

Inverting:

 

 

 

 

φo

 

 

 

 

 

C

 

Vin φ

e

C

−

 

Vout

 

1

 

V'out

 

 

 

+

φe

Vout(Tn)=Vout' (Tn)= CC1 [Vin (Tn ) −Vin (Tn −1 )]

>H(z)= CC1 (1-Z-1)

Backward-Euler Transformation: S→1−TZ −1

H(S)=-S

C1

T = −S

C1

1

= −SRC1

R=

1

C

C

 

f

cf

 

 

 

 

 

Noninverting:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φo

φo

1

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

CC

Vin φ

 

 

−

 

e

C

 

−

 

1

+

 

 

 

 

CC

Vout

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

14-19 CHUNG-YU WU

φo

2

C

 

 

−

+

vout

−

φ

 

 

e

C1

−

 

+

 

+

vout

 

 

 

 

 

C

 

H(z)=+ CC1 (1− Z −1 )

φo

Differential-Type SC Differentiator:

φo

 

φe

C

 

 

C

−

 

 

−

vin

 

1

−

 

 

 

+

vout

vin +

φe

C1

+

−

vout +

 

 

 

C

 

 

 

 

 

φo

Characteristics of SC differentiators:

1.Parasitic-free structure.

2.No dc instability problem as in SC integrators.

3.No high-frequency-noise problem as in continuous-time differentiators.

4.Can be used to design filters as SC integrators.

Ref: IEEE JSSC vol.sc-24, pp.177-180, 1989.

Соседние файлы в папке different