深度剖析开关电容器电路

在本文中，将分享模拟IC设计的基本构建基块之一，开关电容器电路。在IC级别实现模拟信号处理的最常用方法之一是开关电容器电路。这项技术的广泛应用于过滤器、交流或直流转换器、比较器、通讯设备等。

本文将介绍电子产品开发，开关电容器电路领域，从宽泛的概述开始，然后深入介绍基本电路块：开关盖电阻器。

什么是开关电容器电路？

开关电容器电路是一种离散时间电路，利用电荷传输进出由开关控制的电容器。切换活动通常由定义明确、非重叠的时钟控制，因此进出电荷传输定义明确且具有决定性。

这些电路可被视为一种样品和保持电路，其中值被采样并通过电路传递，以实现所需的功能。

开关电容器电路在滤波器设计等应用中非常受欢迎，这要归功于其极其精确的频率响应以及良好的线性和动态范围。

正如我们稍后看到的，开关电容滤波器的离散时间频率响应完全由电容比和电路时钟频率设置，使响应精确设置在0.1%的顺序上。另一方面，连续时间过滤器根据RC时间常数设置频率响应，由于过程变化，值可能变化高达20%。

开关电容器电阻器

开关电容器电路设计最基本的构建基块是开关电容器电阻器。如前所述，该电路具有两个相同频率的非重叠时钟，é1和é2。为了分析此电路，我们将查看两个阶段。

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。每个阶段的此费用的总值如下所表示：

如果我们考虑负载的总变化，我们得到以下方程：

知道电流被定义为时间的电荷变化，并且我们的时间变化只不过是我们的时钟周期，我们可以通过此切换的电容器获得电流的平均值：

最后，我们可以使用上述方程来查找电路的等效电阻：

区域节省和控制频率响应

从这些结果中，我们可以看到开关封盖电路的魔力：它们允许设计人员创建非常严格控制的电阻，仅取决于时钟频率和电容器值。

这项技术的一个好处是，它有助于节省空间。实现大阻力通常需要大量的硅面积。使用开关盖电路，这两个因素都可以显著变小。另一个好处是电阻器和电容器在连续时间RC过滤器中的不匹配正在限制。与不同的设备相比，类似设备之间的匹配往往要好得多，使开关电容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，我们可以通过更改时钟频率动态更改过滤器的频率响应。开关电容器电路的应用是广泛的，而且有充分的理由。从过滤器到ADC的许多电路都利用这些技术来节省面积和严格控制频率响应。