采用開關(guān)電容實現(xiàn)模擬領(lǐng)域內(nèi)的可編程設(shè)計

所有物理系統(tǒng)設(shè)計都需要模擬和數(shù)字功能。該領(lǐng)域的模塊化、可編程設(shè)計對滿足未來應(yīng)用的高標準要求至關(guān)重要。因此，越來越多的設(shè)計開始采用混合信號方法。可擴展性和客戶要求的動態(tài)變化是設(shè)計人員用混合功能組件實施系統(tǒng)所面臨的兩大挑戰(zhàn)。模塊化可編程設(shè)計有助于解決設(shè)計晚期階段不同器件之間設(shè)計方案的移植問題。因此，可編程解決方案相對于固定功能實施方案而言始終是更好的選擇。在模擬領(lǐng)域?qū)嵤┛删幊探鉀Q方案一直非常困難。開關(guān)電容電路的使用非常有助于解決上述困難。開關(guān)電容塊是可編程模擬解決方案的基本構(gòu)建塊。

　　開關(guān)電容電路能把模擬和數(shù)字功能集成在單芯片上，這就是目前的片上系統(tǒng)。傳統(tǒng)的模擬信號處理電路采用持續(xù)時基電路，包括電阻、電容和運算放大器。持續(xù)時基模擬電路使用電阻比、電阻強度或電阻值、電容值等設(shè)置轉(zhuǎn)移函數(shù)。采用MOS技術(shù)的電阻和電容絕對準確性對實施模擬處理功能來說并不夠好。不過，相對而言，用MOS獲得的電容準確性還能夠接受。此外，制造高精度小型電容相對比較簡單，用MOS技術(shù)占用的空間相對于電阻而言比較少。因此，我們認為開關(guān)電容電路目前將逐漸取代傳統(tǒng)的持續(xù)時基電路。

　　　　工作方式

　　James Clerk Maxwell最早于1873年介紹了用電容仿真電阻的技術(shù)，當時他將電流計與電池、安培計和電容串聯(lián)，并定期逆變電容，從而檢測出電流計的電阻。類似的方法也曾用于開關(guān)電容電路。通過MOS開關(guān)控制電荷流進出，開關(guān)電容電路可用電容仿真電阻?？刂齐姾闪鞫x了電流，從而定義了電阻。以下電路顯示了電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動情況。

　　圖1：電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動情況。

　　如果我們計算圖1（a）中通過電阻的電流，應(yīng)采用以下方程式：

　　i= V/R ------（1）

　　在圖1（b）中，？1和？2是非重疊時鐘。？1關(guān)閉時，？2打開，電容充電至電壓V。存儲在電容中的電荷可由以下方程式得出：

　　q = CV-----（2）

　　現(xiàn)在，？1打開而？2 關(guān)閉，存儲在電容中的電荷移動至接地。就每對精確時序開關(guān)閉合而言，都要移動量子電荷。如果開關(guān)頻率由fS得出，則通過電路的電流可由以下方程式得出。

　　i = q/t = qfS = fSCV ------（3）

　　我們比較方程式1和3，可得到：

　　R = 1/fSC --- --（4）

　　需要注意的重要一點是，等效電阻同電容值和開關(guān)頻率成反比。這說明只需改變電容值或開關(guān)頻率就能改變電阻值。在任何采用數(shù)字資源的系統(tǒng)中，我們都能非常方便地修改開關(guān)頻率，進而修改電阻。

　　PSoC的開關(guān)電容

　　賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）器件使用開關(guān)電容電路來實現(xiàn)可編程模擬功能。在PSoC中，模擬開關(guān)電容塊圍繞軌到軌輸入輸出、低偏置和低噪聲運算放大器而構(gòu)建。大多數(shù)模擬電路在輸入和反饋路徑中都包括一些電容和電阻。如果上述組件的值及其連接到運算放大器的方式可以編程，那么我們就能讓其根據(jù)我們的需要發(fā)揮作用，也就是說可以讓其發(fā)揮反相放大器、非反相放大器、過濾器、積分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性開關(guān)電容電路的方框圖：

　　該模塊包含二進制加權(quán)開關(guān)電容陣列，使用戶能實現(xiàn)電容加權(quán)的可編程性。在圖2中，控制字段BSW可讓BCap作為開關(guān)電容或電容?？删幊痰腂Cap開關(guān)電容連接到運算放大器的總和節(jié)點。AnalogBus（模擬總線）開關(guān)將運算放大器的輸出與模擬緩沖相連接。CompBus（比較器總線）開關(guān)將比較器與數(shù)字塊相連接。輸入多路復(fù)用器能從外部輸入、某些其他模擬塊輸出和內(nèi)部參考等輸入源中進行選擇?？刂婆渲玫目刂萍拇嫫饕灿胁煌x擇。由于寄存器位控制所有事項，因此我們即便在運行時也能改變功能。這樣，同樣的塊就能根據(jù)用戶的應(yīng)用需要而發(fā)揮不同的作用。

　　反相放大器實施方案示例

　　以下是用普通開關(guān)電容電路實施反相放大器的示例，如圖3所示：

　　圖3： 用普通開關(guān)電容電路實施反相放大器的示例。

　　本放大器包括運算放大器、輸入電容（CA）、反饋電容（CF）和五個開關(guān)。

　　本電路工作分為兩個不同的階段——采集階段和電荷轉(zhuǎn)移。

　　在采集階段，電路如下所示：

　　圖3（a）：采集階段的電路圖。

　　在本階段，電容的所有電荷接地，唯一的例外在于，CF上由于輸入偏置電壓緣故有些電荷。CA的輸入側(cè)設(shè)為接地，CF的輸出側(cè)也設(shè)為接地。不過由于電荷方向在采集中不同，因此在電荷轉(zhuǎn)移階段消除了偏置效應(yīng)。由于采集階段自動進行上述檢測，因此又稱作“自動歸零”調(diào)整。

　　在電荷轉(zhuǎn)移階段，電路如下所示：

　　圖3（b）：電荷轉(zhuǎn)移階段的電路圖。

　　輸入電容中存儲的電流量CA計算如下：

　　q = VinCin -----（5）

　　電荷只能通過CF移出，因為運算放大器的輸入阻抗很高。因此，如果通過CF 傳輸?shù)碾姾闪繛閝，那么輸出電壓為：

　　Vout = -q/CF ------（6）

　　以上方程式中的“-”取決于從接地（虛擬接地）到運算放大器輸出電荷的方向。

　　用方程式5和6，我們得到增益如下：

　　Vout/Vin = -CA/CF ----- （7） 標準反相放大器方程式

　　不同電路都能用同樣的普通開關(guān)電容塊創(chuàng)建，滿足過濾器、比較器、調(diào)制器和積分器等不同設(shè)計模塊的要求。

　　可編程模擬解決方案示例

　　我們接下來考慮以下開關(guān)電容積分器：

　　圖4：開關(guān)電容積分器。

　　以下方程式定義了本積分器的輸出電壓：

　　Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----（8）

　　根據(jù)方程式8，轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

　　Gain = Vout/Vin = CA/CF（1-z-1） = 1/s（fsCA/CF） -----（9）

　　根據(jù)方程式9，我們可以發(fā)現(xiàn)，增益取決于電容值和開關(guān)頻率。上述任何一項變化都會改變積分器的增益。

　　下面，假設(shè)我們一開始設(shè)計積分器增益為2，隨著需求的變化，希望增益為3，那么我們只需將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)為原先的1.5倍即可。

　　濾波器也可被看作另一個例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計濾波器，我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。

　　本文小結(jié)

　　我們可以非常容易地看出上述設(shè)計方法的優(yōu)勢所在?？删幊探鉀Q方案能加快產(chǎn)品投放市場的速度。集成式運算放大器配合可編程電容開關(guān)使我們在不大幅改動原理圖或板布局的情況下就能改變設(shè)計功能，而固定功能塊實施方案則無法實現(xiàn)這一點。從以上示例中，我們可以看出大多數(shù)模擬電路的基本構(gòu)建塊由運算放大器以及一些開關(guān)電容組成，我們可通過系統(tǒng)中的其他數(shù)字電路控制這些開關(guān)，只需改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)電阻值，從而體現(xiàn)出片上模擬解決方案的可編程屬性。高度集成加上可編程性所帶來的出色靈活性有助于節(jié)約BOM，減少板上空間占用，而且在任何設(shè)計階段無需太多努力就能修改設(shè)計方案。這可賦予應(yīng)用和系統(tǒng)工程師強大的功能，幫助他們盡快縮短向市場推出產(chǎn)品的時間，在今天快速發(fā)展的市場中更好地滿足不斷變化的應(yīng)用需求。