基于开关电容的模拟可编程设计实现

liyf

　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。

                          
                       
                          
                               
PSoC的开关电容

赛普拉斯的可编程片上系统(PSoC)器件使用开关电容电路来实现可编程模拟功能。在PSoC中，模拟开关电容块围绕轨到轨输入输出、低偏置和低噪声运算放大器而构建。大多数模拟电路在输入和反馈路径中都包括一些电容和电阻。如果上述组件的值及其连接到运算放大器的方式可以编程，那么我们就能让其根据我们的需要发挥作用，也就是说可以让其发挥反相放大器、非反相放大器、过滤器、积分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性开关电容电路的方框图：



　

该模块包含二进制加权开关电容阵列，使用户能实现电容加权的可编程性。在图2中，控制字段bSW可让bCap作为开关电容或电容。可编程的 bCap开关电容连接到运算放大器的总和节点。Analogbus(模拟总线)开关将运算放大器的输出与模拟缓冲相连接。Compbus(比较器总线)开关将比较器与数字块相连接。输入多路复用器能从外部输入、某些其他模拟块输出和内部参考等输入源中进行选择。控制配置的控制寄存器也有不同选择。由于寄存器位控制所有事项，因此我们即便在运行时也能改变功能。这样，同样的块就能根据用户的应用需要而发挥不同的作用。
反相放大器实施方案示例
　　以下是用普通开关电容电路实施反相放大器的示例，如图3所示：
　　




　　图3： 用普通开关电容电路实施反相放大器的示例。
　　本放大器包括运算放大器、输入电容(CA)、反馈电容(CF)和五个开关。
　　本电路工作分为两个不同的阶段——采集阶段和电荷转移。
                          
                       
                          
                               
　　在采集阶段，电路如下所示：
　　




　　图3(a)：采集阶段的电路图。
　　在本阶段，电容的所有电荷接地，唯一的例外在于，CF上由于输入偏置电压缘故有些电荷。CA的输入侧设为接地，CF的输出侧也设为接地。不过由于电荷方向在采集中不同，因此在电荷转移阶段消除了偏置效应。由于采集阶段自动进行上述检测，因此又称作“自动归零”调整。
　　在电荷转移阶段，电路如下所示：
　　




　　图3(b)：电荷转移阶段的电路图。
                          
                       
                          
                               
　　输入电容中存储的电流量CA计算如下：
　　q = VinCin -----(5)
　　电荷只能通过CF移出，因为运算放大器的输入阻抗很高。因此，如果通过CF 传输的电荷量为q，那么输出电压为：
　　Vout = -q/CF ------(6)
　　以上方程式中的“-”取决于从接地(虚拟接地)到运算放大器输出电荷的方向。
　　用方程式5和6，我们得到增益如下：
　　Vout/Vin = -CA/CF ----- (7) 标准反相放大器方程式
　　不同电路都能用同样的普通开关电容块创建，满足过滤器、比较器、调制器和积分器等不同设计模块的要求。
　　可编程模拟解决方案示例
　　我们接下来考虑以下开关电容积分器：
　　




　　图4：开关电容积分器。
　　以下方程式定义了本积分器的输出电压：
　　Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----(8)
　　根据方程式8，转移函数为：
　　Gain = Vout/Vin = CA/CF(1-z-1) = 1/s(fsCA/CF) -----(9)
　　根据方程式9，我们可以发现，增益取决于电容值和开关频率。上述任何一项变化都会改变积分器的增益。
　　下面，假设我们一开始设计积分器增益为2，随着需求的变化，希望增益为3，那么我们只需将开关频率调节为原先的1.5倍即可。
　　滤波器也可被看作另一个例子。如果用开关电容电路设计滤波器，我们只需同样改变开关频率就能调节其截止频率。
　　本文小结
　　我们可以非常容易地看出上述设计方法的优势所在。可编程解决方案能加快产品投放市场的速度。集成式运算放大器配合可编程电容开关使我们在不大幅 改动原理图或板布局的情况下就能改变设计功能，而固定功能块实施方案则无法实现这一点。从以上示例中，我们可以看出大多数模拟电路的基本构建块由运算放大 器以及一些开关电容组成，我们可通过系统中的其他数字电路控制这些开关，只需改变开关频率就能调节电阻值，从而体现出片上模拟解决方案的可编程属性。高度 集成加上可编程性所带来的出色灵活性有助于节约bOM，减少板上空间占用，而且在任何设计阶段无需太多努力就能修改设计方案。