開關(guān)電容電路簡介

在本系列文章中，我們將討論模擬IC設(shè)計(jì)的基本構(gòu)建模塊之一：開關(guān)電容電路。

在IC級實(shí)現(xiàn)模擬信號處理的最常用方法之一是開關(guān)電容電路。 該技術(shù)的應(yīng)用 范圍從濾波器、AC/DC

轉(zhuǎn)換器、比較器、電信以及介于兩者之間的所有產(chǎn)品。

本文將介紹開關(guān)電容電路領(lǐng)域，首先概述，然后深入探討基本電路模塊：開關(guān)電容電阻器。

什么是開關(guān)電容電路？

開關(guān)電容電路

是一種離散時間電路，利用由開關(guān)控制的電容器進(jìn)出的電荷轉(zhuǎn)移。開關(guān)活動通常由定義明確的非重疊時鐘控制，因此電荷傳入和傳出是明確定義和確定的。

這些電路可以被認(rèn)為是一種采樣保持電路，其中值被采樣并通過電路傳遞以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

具有非重疊時鐘的開關(guān)電容電路。重新創(chuàng)建的圖像由 馬等。

開關(guān)電容電路因其極其精確的頻率響應(yīng)以及良好的線性度和動態(tài)范圍而在濾波器設(shè)計(jì)等應(yīng)用中非常受歡迎。

正如我們稍后將看到的，開關(guān)電容濾波器的離散時頻響應(yīng)完全由電容比和電路時鐘頻率設(shè)置，允許響應(yīng)精確設(shè)置在0.1%量級。另一方面，連續(xù)時間濾波器根據(jù)RC時間常數(shù)設(shè)置其頻率響應(yīng)，其中的值可能因過程變化而變化多達(dá)20%。

開關(guān)電容電阻器

開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)最基本的構(gòu)建模塊是 開關(guān)電容電阻。如前所述，該電路有兩個相同頻率的非重疊時鐘?1和?2。為了分析這個電路，我們將看兩個階段。

開關(guān)電容電阻。重新創(chuàng)建的圖像由 卡魯松等。

在第一階段，開關(guān) 1 打開，而開關(guān) 2 關(guān)閉。在此設(shè)置中，電荷從節(jié)點(diǎn)V1流入電容器。在第二階段，開關(guān) 1 打開，而開關(guān) 2

關(guān)閉。此時，C1連接到節(jié)點(diǎn)V2，并將充電或放電，直到電容器上的最終電壓為V2。每個階段的該費(fèi)用的總價值為

如果我們考慮收費(fèi)的總變化，我們得到以下等式：

知道電流被定義為電荷相對于時間的變化，并且我們的時間變化只不過是我們的時鐘周期，我們可以得到這個開關(guān)電容器上的電流平均值：

最后，我們可以使用上式來求出電路的等效電阻：

快速說明：我不能不提前面的分析假設(shè)每個時鐘周期傳輸?shù)碾姾稍谠S多周期內(nèi)是恒定的，使我們能夠近似平均電流和電阻。對于輸入信號相對于采樣頻率快速變化的情況，需要進(jìn)行離散時間z域分析。

節(jié)省面積和受控頻率響應(yīng)

從這些結(jié)果中，我們可以看到開關(guān)電容電路的魔力：它們 允許設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建非常嚴(yán)格控制的電阻 這僅取決于時鐘頻率和電容值。

這種技術(shù)的一個好處是它有助于節(jié)省空間。實(shí)現(xiàn)大電阻通常需要相當(dāng)大的硅面積。使用開關(guān)電容電路可以顯著減小這兩個因素。

具有非重疊時鐘的開關(guān)電容積分器。重新創(chuàng)建的圖像由 滕胡寧等。

另一個好處是，連續(xù)時間RC濾波器中電阻和電容之間的不匹配是有限制的。與不同的器件（電容到電阻）相比，類似器件之間的匹配（電容器到電容）往往要好得多，這使得開關(guān)電容濾波器的頻率響應(yīng)更加精確。

最后，由于我們的電阻值完全由電容值和頻率設(shè)置，因此我們可以通過改變時鐘頻率來動態(tài)改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng)。

開關(guān)電容電路的應(yīng)用范圍很廣，這是有充分理由的。從濾波器到ADC的許多電路都利用這些技術(shù)來節(jié)省面積并嚴(yán)格控制頻率響應(yīng)。