采用开关电容实现模拟领域内的可编程设计

所有物理系统设计都需要模拟和数字功能。该领域的模块化、可编程设计对满足未来应用的高标准要求至关重要。因此，越来越多的设计开始采用混合信号方法。可扩展性和客户要求的动态变化是设计人员用混合功能组件实施系统所面临的两大挑战。模块化可编程设计有助于解决设计晚期阶段不同器件之间设计方案的移植问题。因此，可编程解决方案相对于固定功能实施方案而言始终是更好的选择。在模拟领域实施可编程解决方案一直非常困难。开关电容电路的使用非常有助于解决上述困难。开关电容块是可编程模拟解决方案的基本构建块。

开关电容电路能把模拟和数字功能集成在单芯片上，这就是目前的片上系统。传统的模拟信号处理电路采用持续时基电路，包括电阻、电容和运算放大器。持续时基模拟电路使用电阻比、电阻强度或电阻值、电容值等设置转移函数。采用MOS技术的电阻和电容绝对准确性对实施模拟处理功能来说并不够好。不过，相对而言，用MOS获得的电容准确性还能够接受。此外，制造高精度小型电容相对比较简单，用MOS技术占用的空间相对于电阻而言比较少。因此，我们认为开关电容电路目前将逐渐取代传统的持续时基电路。

工作方式

James Clerk Maxwell最早于1873年介绍了用电容仿真电阻的技术，当时他将电流计与电池、安培计和电容串联，并定期逆变电容，从而检测出电流计的电阻。类似的方法也曾用于开关电容电路。通过MOS开关控制电荷流进出，开关电容电路可用电容仿真电阻。控制电荷流定义了电流，从而定义了电阻。以下电路显示了电荷通过电阻和开关电容的流动情况。

图1：电荷通过电阻和开关电容的流动情况。

如果我们计算图1（a）中通过电阻的电流，应采用以下方程式：

i= V/R ------(1）

在图1（b）中， 1和 2是非重叠时钟。 1关闭时， 2打开，电容充电至电压V。存储在电容中的电荷可由以下方程式得出：

q = CV-----（2）

现在， 1打开而 2 关闭，存储在电容中的电荷移动至接地。就每对精确时序开关闭合而言，都要移动量子电荷。如果开关频率由fS得出，则通过电路的电流可由以下方程式得出。

i = q/t = qfS = fSCV ------（3）

我们比较方程式1和3，可得到：

R = 1/fSC --- --（4）

需要注意的重要一点是，等效电阻同电容值和开关频率成反比。这说明只需改变电容值或开关频率就能改变电阻值。在任何采用数字资源的系统中，我们都能非常方便地修改开关频率，进而修改电阻。

PSoC的开关电容

赛普拉斯的可编程片上系统（PSoC）器件使用开关电容电路来实现可编程模拟功能。在PSoC中，模拟开关电容块围绕轨到轨输入输出、低偏置和低噪声运算放大器而构建。大多数模拟电路在输入和反馈路径中都包括一些电容和电阻。如果上述组件的值及其连接到运算放大器的方式可以编程，那么我们就能让其根据我们的需要发挥作用，也就是说可以让其发挥反相放大器、非反相放大器、过滤器、积分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性开关电容电路的方框图：

该模块包含二进制加权开关电容阵列，使用户能实现电容加权的可编程性。在图2中，控制字段BSW可让BCap作为开关电容或电容。可编程的BCap开关电容连接到运算放大器的总和节点。AnalogBus（模拟总线）开关将运算放大器的输出与模拟缓冲相连接。CompBus(比较器总线）开关将比较器与数字块相连接。输入多路复用器能从外部输入、某些其他模拟块输出和内部参考等输入源中进行选择。控制配置的控制寄存器也有不同选择。由于寄存器位控制所有事项，因此我们即便在运行时也能改变功能。这样，同样的块就能根据用户的应用需要而发挥不同的作用。
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反相放大器实施方案示例

以下是用普通开关电容电路实施反相放大器的示例，如图3所示：

图3: 用普通开关电容电路实施反相放大器的示例。

本放大器包括运算放大器、输入电容（CA）、反馈电容（CF）和五个开关。

本电路工作分为两个不同的阶段——采集阶段和电荷转移。

在采集阶段，电路如下所示：

图3（a）：采集阶段的电路图。

在本阶段，电容的所有电荷接地，唯一的例外在于，CF上由于输入偏置电压缘故有些电荷。CA的输入侧设为接地，CF的输出侧也设为接地。不过由于电荷方向在采集中不同，因此在电荷转移阶段消除了偏置效应。由于采集阶段自动进行上述检测，因此又称作“自动归零”调整。

在电荷转移阶段，电路如下所示：

图3（b）：电荷转移阶段的电路图。

输入电容中存储的电流量CA计算如下：

q = VinCin -----（5）

电荷只能通过CF移出，因为运算放大器的输入阻抗很高。因此，如果通过CF 传输的电荷量为q，那么输出电压为：

Vout = -q/CF ------（6）

以上方程式中的“-”取决于从接地（虚拟接地）到运算放大器输出电荷的方向。

用方程式5和6，我们得到增益如下：

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

不同电路都能用同样的普通开关电容块创建，满足过滤器、比较器、调制器和积分器等不同设计模块的要求。

可编程模拟解决方案示例

我们接下来考虑以下开关电容积分器：

图4：开关电容积分器。

以下方程式定义了本积分器的输出电压：

Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----（8）

根据方程式8，转移函数为：

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

根据方程式9，我们可以发现，增益取决于电容值和开关频率。上述任何一项变化都会改变积分器的增益。

下面，假设我们一开始设计积分器增益为2，随着需求的变化，希望增益为3，那么我们只需将开关频率调节为原先的1.5倍即可。

滤波器也可被看作另一个例子。如果用开关电容电路设计滤波器，我们只需同样改变开关频率就能调节其截止频率。

本文小结

我们可以非常容易地看出上述设计方法的优势所在。可编程解决方案能加快产品投放市场的速度。集成式运算放大器配合可编程电容开关使我们在不大幅改动原理图或板布局的情况下就能改变设计功能，而固定功能块实施方案则无法实现这一点。从以上示例中，我们可以看出大多数模拟电路的基本构建块由运算放大器以及一些开关电容组成，我们可通过系统中的其他数字电路控制这些开关，只需改变开关频率就能调节电阻值，从而体现出片上模拟解决方案的可编程属性。高度集成加上可编程性所带来的出色灵活性有助于节约BOM，减少板上空间占用，而且在任何设计阶段无需太多努力就能修改设计方案。这可赋予应用和系统工程师强大的功能，帮助他们尽快缩短向市场推出产品的时间，在今天快速发展的市场中更好地满足不断变化的应用需求。

作者： Sachin Gupta

高级应用工程师

赛普拉斯半导体公司