开关电容电路简介

　　在本系列文章中，我们将讨论模拟IC设计的基本构建模块之一：开关电容电路。

　　在IC级实现模拟信号处理的最常用方法之一是开关电容电路。 该技术的应用 范围从滤波器、AC/DC

转换器、比较器、电信以及介于两者之间的所有产品。

　　本文将介绍开关电容电路领域，首先概述，然后深入探讨基本电路模块：开关电容电阻器。

　　什么是开关电容电路？

　　开关电容电路

是一种离散时间电路，利用由开关控制的电容器进出的电荷转移。开关活动通常由定义明确的非重叠时钟控制，因此电荷传入和传出是明确定义和确定的。

　　这些电路可以被认为是一种采样保持电路，其中值被采样并通过电路传递以实现所需的功能。

　　

　　具有非重叠时钟的开关电容电路。重新创建的图像由 马等。

　　开关电容电路因其极其精确的频率响应以及良好的线性度和动态范围而在滤波器设计等应用中非常受欢迎。

　　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%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，其中的值可能因过程变化而变化多达20%。

　　开关电容电阻器

　　开关电容电路设计最基本的构建模块是 开关电容电阻。如前所述，该电路有两个相同频率的非重叠时钟ø1和ø2。为了分析这个电路，我们将看两个阶段。

　　

　　开关电容电阻。重新创建的图像由 卡鲁松等。

　　在第一阶段，开关 1 打开，而开关 2 关闭。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

关闭。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。每个阶段的该费用的总价值为

　　

如果我们考虑收费的总变化，我们得到以下等式：

　　

　　知道电流被定义为电荷相对于时间的变化，并且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的电流平均值：

　　

　　最后，我们可以使用上式来求出电路的等效电阻：

　　快速说明：我不能不提前面的分析假设每个时钟周期传输的电荷在许多周期内是恒定的，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。

　　节省面积和受控频率响应

　　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 这仅取决于时钟频率和电容值。

　　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显著减小这两个因素。

　　

　　具有非重叠时钟的开关电容积分器。重新创建的图像由 滕胡宁等。

　　另一个好处是，连续时间RC滤波器中电阻和电容之间的不匹配是有限制的。与不同的器件（电容到电阻）相比，类似器件之间的匹配（电容器到电容）往往要好得多，这使得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，因此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范围很广，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并严格控制频率响应。