深度剖析開關(guān)電容器電路

在本文中，將分享模擬IC設(shè)計(jì)的基本構(gòu)建基塊之一，開關(guān)電容器電路。在IC級(jí)別實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理的最常用方法之一是開關(guān)電容器電路。這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用于過濾器、交流或直流轉(zhuǎn)換器、比較器、通訊設(shè)備等。

本文將介紹電子產(chǎn)品開發(fā)，開關(guān)電容器電路領(lǐng)域，從寬泛的概述開始，然后深入介紹基本電路塊：開關(guān)蓋電阻器。

什么是開關(guān)電容器電路？

開關(guān)電容器電路是一種離散時(shí)間電路，利用電荷傳輸進(jìn)出由開關(guān)控制的電容器。切換活動(dòng)通常由定義明確、非重疊的時(shí)鐘控制，因此進(jìn)出電荷傳輸定義明確且具有決定性。

這些電路可被視為一種樣品和保持電路，其中值被采樣并通過電路傳遞，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

開關(guān)電容器電路在濾波器設(shè)計(jì)等應(yīng)用中非常受歡迎，這要?dú)w功于其極其精確的頻率響應(yīng)以及良好的線性和動(dòng)態(tài)范圍。

正如我們稍后看到的，開關(guān)電容濾波器的離散時(shí)間頻率響應(yīng)完全由電容比和電路時(shí)鐘頻率設(shè)置，使響應(yīng)精確設(shè)置在0.1%的順序上。另一方面，連續(xù)時(shí)間過濾器根據(jù)RC時(shí)間常數(shù)設(shè)置頻率響應(yīng)，由于過程變化，值可能變化高達(dá)20%。

開關(guān)電容器電阻器

開關(guān)電容器電路設(shè)計(jì)最基本的構(gòu)建基塊是開關(guān)電容器電阻器。如前所述，該電路具有兩個(gè)相同頻率的非重疊時(shí)鐘，é1和é2。為了分析此電路，我們將查看兩個(gè)階段。

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(shí)，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(gè)階段的此費(fèi)用的總值如下所表示：

如果我們考慮負(fù)載的總變化，我們得到以下方程：

知道電流被定義為時(shí)間的電荷變化，并且我們的時(shí)間變化只不過是我們的時(shí)鐘周期，我們可以通過此切換的電容器獲得電流的平均值：

最后，我們可以使用上述方程來查找電路的等效電阻：

區(qū)域節(jié)省和控制頻率響應(yīng)

從這些結(jié)果中，我們可以看到開關(guān)封蓋電路的魔力：它們?cè)试S設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建非常嚴(yán)格控制的電阻，僅取決于時(shí)鐘頻率和電容器值。

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)好處是，它有助于節(jié)省空間。實(shí)現(xiàn)大阻力通常需要大量的硅面積。使用開關(guān)蓋電路，這兩個(gè)因素都可以顯著變小。另一個(gè)好處是電阻器和電容器在連續(xù)時(shí)間RC過濾器中的不匹配正在限制。與不同的設(shè)備相比，類似設(shè)備之間的匹配往往要好得多，使開關(guān)電容器的頻率響應(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，我們可以通過更改時(shí)鐘頻率動(dòng)態(tài)更改過濾器的頻率響應(yīng)。開關(guān)電容器電路的應(yīng)用是廣泛的，而且有充分的理由。從過濾器到ADC的許多電路都利用這些技術(shù)來節(jié)省面積和嚴(yán)格控制頻率響應(yīng)。