基于開(kāi)關(guān)電容的模擬可編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　開(kāi)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(hào)處理電路采用持續(xù)時(shí)基電路，包括電阻、電容和運(yùn)算放大器。持續(xù)時(shí)基模擬電路使用電阻比、電阻強(qiáng)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(duì)準(zhǔn)確性對(duì)實(shí)施模擬處理功能來(lái)說(shuō)并不夠好。不過(guò)，相對(duì)而言，用MOS獲得的電容準(zhǔn)確性還能夠接受。此外，制造高精度小型電容相對(duì)比較簡(jiǎn)單，用MOS技術(shù)占用的空間相對(duì)于電阻而言比較少。因此，我們認(rèn)為開(kāi)關(guān)電容電路目前將逐漸取代傳統(tǒng)的持續(xù)時(shí)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(dāng)時(shí)他將電流計(jì)與電池、安培計(jì)和電容串聯(lián)，并定期逆變電容，從而檢測(cè)出電流計(jì)的電阻。類(lèi)似的方法也曾用于開(kāi)關(guān)電容電路。通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)控制電荷流進(jìn)出，開(kāi)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(guò)電阻和開(kāi)關(guān)電容的流動(dòng)情況。
 

圖1：電荷通過(guò)電阻和開(kāi)關(guān)電容的流動(dòng)情況。

如果我們計(jì)算圖1(a)中通過(guò)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(shí)鐘。?1關(guān)閉時(shí)，?2打開(kāi)，電容充電至電壓V。存儲(chǔ)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(kāi)而?2 關(guān)閉，存儲(chǔ)在電容中的電荷移動(dòng)至接地。就每對(duì)精確時(shí)序開(kāi)關(guān)閉合而言，都要移動(dòng)量子電荷。如果開(kāi)關(guān)頻率由fS得出，則通過(guò)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(diǎn)是，等效電阻同電容值和開(kāi)關(guān)頻率成反比。這說(shuō)明只需改變電容值或開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而修改電阻。

PSoC的開(kāi)關(guān)電容

賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件使用開(kāi)關(guān)電容電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程模擬功能。在PSoC中，模擬開(kāi)關(guān)電容塊圍繞軌到軌輸入輸出、低偏置和低噪聲運(yùn)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(yùn)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(shuō)可以讓其發(fā)揮反相放大器、非反相放大器、過(guò)濾器、積分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性開(kāi)關(guān)電容電路的方框圖：

　

該模塊包含二進(jìn)制加權(quán)開(kāi)關(guān)電容陣列，使用戶能實(shí)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(kāi)關(guān)電容或電容?？删幊痰?BCap開(kāi)關(guān)電容連接到運(yùn)算放大器的總和節(jié)點(diǎn)。AnalogBus(模擬總線)開(kāi)關(guān)將運(yùn)算放大器的輸出與模擬緩沖相連接。CompBus(比較器總線)開(kāi)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(jìn)行選擇。控制配置的控制寄存器也有不同選擇。由于寄存器位控制所有事項(xiàng)，因此我們即便在運(yùn)行時(shí)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(shí)施方案示例

　　以下是用普通開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例，如圖3所示：

　　圖3： 用普通開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例。

　　本放大器包括運(yùn)算放大器、輸入電容(CA)、反饋電容(CF)和五個(gè)開(kāi)關(guān)。

　　本電路工作分為兩個(gè)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(guò)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(dòng)進(jìn)行上述檢測(cè)，因此又稱(chēng)作“自動(dòng)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(chǔ)的電流量CA計(jì)算如下：

　　q = VinCin -----(5)

　　電荷只能通過(guò)CF移出，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入阻抗很高。因此，如果通過(guò)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)反相放大器方程式

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

　　可編程模擬解決方案示例

　　我們接下來(lái)考慮以下開(kāi)關(guān)電容積分器：

　　圖4：開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。上述任何一項(xiàng)變化都會(huì)改變積分器的增益。

　　下面，假設(shè)我們一開(kāi)始設(shè)計(jì)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(kāi)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(gè)例子。如果用開(kāi)關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器，我們只需同樣改變開(kāi)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(jì)方法的優(yōu)勢(shì)所在。可編程解決方案能加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度。集成式運(yùn)算放大器配合可編程電容開(kāi)關(guān)使我們?cè)诓淮蠓?改動(dòng)原理圖或板布局的情況下就能改變?cè)O(shè)計(jì)功能，而固定功能塊實(shí)施方案則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(yùn)算放大 器以及一些開(kāi)關(guān)電容組成，我們可通過(guò)系統(tǒng)中的其他數(shù)字電路控制這些開(kāi)關(guān)，只需改變開(kāi)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(lái)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(jì)階段無(wú)需太多努力就能修改設(shè)計(jì)方案。