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(jí)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(shí)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(dòng)通常由定義明確的非重疊時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)頻響應(yīng)完全由電容比和電路時(shí)鐘頻率設(shè)置,允許響應(yīng)精確設(shè)置在0.1%量級(jí)。另一方面,連續(xù)時(shí)間濾波器根據(jù)RC時(shí)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(gè)相同頻率的非重疊時(shí)鐘?1和?2。為了分析這個(gè)電路,我們將看兩個(gè)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(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)階段的該費(fèi)用的總價(jià)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(duì)于時(shí)間的變化,并且我們的時(shí)間變化只不過是我們的時(shí)鐘周期,我們可以得到這個(gè)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(gè)時(shí)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(duì)于輸入信號(hào)相對(duì)于采樣頻率快速變化的情況,需要進(jìn)行離散時(shí)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(shí)鐘頻率和電容值。
這種技術(shù)的一個(gè)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(gè)因素。
具有非重疊時(shí)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(gè)好處是,連續(xù)時(shí)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(shí)鐘頻率來動(dòng)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)。
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