基于開關電容的模擬可編程設計實現

　開關電容電路能把模擬和數字功能集成在單芯片上，這就是目前的片上系統。傳統的模擬信號處理電路采用持續時基電路，包括電阻、電容和運算放大器。持續時基模擬電路使用電阻比、電阻強度或電阻值、電容值等設置轉移函數。采用MOS技術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技術占用的空間相對于電阻而言比較少。因此，我們認為開關電容電路目前將逐漸取代傳統的持續時基電路。

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，當時他將電流計與電池、安培計和電容串聯，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電容電路。通過MOS開關控制電荷流進出，開關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電容的流動情況。


圖1：電荷通過電阻和開關電容的流動情況。

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)

現在，?1打開而?2 關閉，存儲在電容中的電荷移動至接地。就每對精確時序開關閉合而言，都要移動量子電荷。如果開關頻率由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頻率成反比。這說明只需改變電容值或開關頻率就能改變電阻值。在任何采用數字資源的系統中，我們都能非常方便地修改開關頻率，進而修改電阻。