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?？蓴U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)域實施可編程解決方案一直非常困難。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。控制電荷流定義了電流，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。