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。

　　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。