开关电容电路简介

接线图 2024年01月28日 08:54 178 admin

    在 IC 级实现模拟信号处理的最流行方法之一是开关电容电路。该技术的应用范围包括滤波器、AC/DC 转换器、比较器、电信以及介于两者之间的一切。
    本文将介绍开关电容器电路领域，从广泛概述开始，然后深入到基本电路块：开关电容器电阻器。
    什么是开关电容电路？
    开关电容器电路是一种离散时间电路，它利用开关控制的电容器进出电荷传输。开关活动通常由明确定义的非重叠时钟控制，因此进出电荷传输是明确且确定的。
    这些电路可以被认为是一种采样和保持电路，其中对值进行采样并通过电路传递以实现所需的功能。

开关电容电路简介第1张

    具有非重叠时钟的开关电容电路
    具有非重叠时钟的开关电容电路。重新创建的图像由Ma 等人提供。
    开关电容器电路在滤波器设计等应用中非常受欢迎，这要归功于其极其精确的频率响应以及良好的线性度和动态范围。
    正如我们稍后将看到的，开关电容滤波器的离散时频响应完全由电容比和电路时钟频率设置，允许响应精确设置在 0.1% 的数量级。另一方面，连续时间滤波器根据 RC 时间常数设置其频率响应，其中值可能因工艺变化而变化多达 20%。
    开关电容电阻器
    开关电容电路设计的最基本构件是开关电容电阻器。如前所述，该电路有两个相同频率的非重叠时钟 ?1 和 ?2。为了分析这个电路，我们将看两个阶段。

开关电容电路简介第2张

    开关电容电阻器。
    开关电容电阻器。重新创建的图像由Carusone 等人提供。
    在第一阶段，开关 1 导通，开关 2 关断。在此设置中，电荷从节点 V1 流入电容器。在第二阶段，开关 1 打开，而开关 2 闭合。此时，C1 连接到节点 V2 并将充电或放电，直到电容器上的最终电压为 V2。每个阶段此费用的总价值为
    \[Q_1 = C_1V_1\]
    \[Q_2=C_1V_2\]
    如果我们考虑电荷的总变化，我们得到以下等式：
    \[\Delta Q = C_1(V_1-V_2)=C_1 \Delta V\]
    知道电流被定义为电荷相对于时间的变化，而我们的时间变化只不过是我们的时钟周期，我们可以得到这个开关电容器上电流的平均值：
    \[I_{eq} = \frac{C_1(V_1 -V_2)}{T} = C_1 \Delta Vf\]
    最后，我们可以利用上面的等式求出电路的等效电阻：
    \[\mathbf{R_{eq}= \frac {T}{C_1} = \frac {1}{C_1f}}\]
    快速说明：如果不提之前的分析假设每个时钟周期传输的电荷在多个周期内保持不变，我会忽略这一点，这使我们能够近似平均电流和电阻。对于输入信号相对于采样频率快速变化的情况，需要进行离散时间 z 域分析。
    节省面积和控制频率响应
    从这些结果中，我们可以看到开关电容电路的魔力：它们允许设计人员创建非常严格控制的电阻，该电阻仅取决于时钟频率和电容器值。
    这种技术的一个好处是它有助于节省空间。实现大电阻通常需要相当大的硅面积。使用开关电容电路可以大大减小这两个因素。
    具有非重叠时钟的开关电容积分器
    具有非重叠时钟的开关电容积分器。重建图像由Tenhunen 等人提供。
    另一个好处是连续时间 RC 滤波器中电阻器和电容器之间的不匹配是有限的。与不同设备（电容器到电阻器）相比，相似设备之间的匹配（电容器到电容器）往往要好得多，从而使开关电容滤波器的频率响应更加精确。
    最后，由于我们的电阻值完全由电容值和频率设置，我们可以通过改变时钟频率来动态改变滤波器的频率响应。
    开关电容电路的应用广泛而广泛——这是有充分理由的。从滤波器到 ADC 的许多电路都利用这些技术来节省面积和严格控制频率响应。