基于开关电容的模拟可编程设计实现

　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。