采用开关电容实现模拟领域内的可编程设计

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所有物理系统设计都需要模拟和数字功能。该领域的模块化、可编程设计对满足未来应用的高标准要求至关重要。因此,越来越多的设计开始采用混合信号方法。可扩展性和客户要求的动态变化是设计人员用混合功能组件实施系统所面临的两大挑战。模块化可编程设计有助于解决设计晚期阶段不同器件之间设计方案的移植问题。因此,可编程解决方案相对于固定功能实施方案而言始终是更好的选择。在模拟领域实施可编程解决方案一直非常困难。开关电容电路的使用非常有助于解决上述困难。开关电容块是可编程模拟解决方案的基本构建块。

 

开关电容电路能把模拟和数字功能集成在单芯片上,这就是目前的片上系统。传统的模拟信号处理电路采用持续时基电路,包括电阻、电容和运算放大器。持续时基模拟电路使用电阻比、电阻强度或电阻值、电容值等设置转移函数。采用MOS技术的电阻和电容绝对准确性对实施模拟处理功能来说并不够好。不过,相对而言,用MOS获得的电容准确性还能够接受。此外,制造高精度小型电容相对比较简单,用MOS技术占用的空间相对于电阻而言比较少。因此,我们认为开关电容电路目前将逐渐取代传统的持续时基电路。

 

工作方式

James Clerk Maxwell最早于1873年介绍了用电容仿真电阻的技术,当时他将电流计与电池、安培计和电容串联,并定期逆变电容,从而检测出电流计的电阻。类似的方法也曾用于开关电容电路。通过MOS开关控制电荷流进出,开关电容电路可用电容仿真电阻。控制电荷流定义了电流,从而定义了电阻。以下电路显示了电荷通过电阻和开关电容的流动情况。

  

  图1:电荷通过电阻和开关电容的流动情况。

 

如果我们计算图1(a)中通过电阻的电流,应采用以下方程式:

i= V/R ------(1)

在图1(b)中,?1和?2是非重叠时钟。?1关闭时,?2打开,电容充电至电压V。存储在电容中的电荷可由以下方程式得出:

q = CV-----(2)

现在,?1打开而?2 关闭,存储在电容中的电荷移动至接地。就每对精确时序开关闭合而言,都要移动量子电荷。如果开关频率由fS得出,则通过电路的电流可由以下方程式得出。

i = q/t = qfS = fSCV ------(3)

我们比较方程式1和3,可得到:

R = 1/fSC --- --(4)

需要注意的重要一点是,等效电阻同电容值和开关频率成反比。这说明只需改变电容值或开关频率就能改变电阻值。在任何采用数字资源的系统中,我们都能非常方便地修改开关频率,进而修改电阻。

 

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