开关电容模拟电路原理及其应用

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1、2009年5月汕头大学学报(自然科学版)第24卷第2期May2009JournalofShantouUniversity(NaturalScience)VO1．24No．2文章编号：1001—4217(2009)02—0063—04开关电容模拟电路原理及其应用胡冰新，张兆东，陈妹(解放军理1-大学理学院基础电子学系，江苏南京210007)摘要：以有源放大器为例，介绍了开关电容模拟电路技术；同时介绍了开关电容PSoC模块，并讨论该类PSoC芯片的一些典型实际应用．关键词：开关电容；PSoC模块；有源比较器中

2、图分类号：TN710／79文献标识码：AO引言在模拟集成电路中，一个非常重要的问题是，小而精确的电阻集成比电容要困难得多，也昂贵得多，这限制了电阻在许多对精度和成本要求较高的领域的应用．一种较好的解决方案是采用相对比较便宜且容易精确集成的电容来对电阻进行模拟，这就是开关电容模拟电路技术【l_21．采用该技术的PSoC模块在单片机领域得到了广泛应用，大大减少了单片机芯片的外围器件，提高了系统整体的集成性能和可靠性．鉴于开关电容电路技术的重要性，本文对其原理和实际应用方面进行讨论．1电路原理由欧姆定律知，流经

3、电阻元件的电流i与其两端的电压12,成正比，其比值称为该元件的电阻，即：R=u／i(1)从电流的本质来说，其形成在于电压造成的电荷流动，即电量q随时间t变化的速率．在直流情况下，有：i=q／t．而对于电容器，作为其基本特性的库伏关系为：q=Cu．其中C为电容器的电容．电容的充、放电过程即为电量在节点之间的移动过程，这就为用电容来模拟电阻提供了一种思路：能否采用特殊的控制使由电容构成的电路具有与电阻类似的伏安关系式(1)呢?答案是肯定的，采用开关电容电路即可实现．收稿日期：2008-08—15作者简介：胡冰

4、新(1976-)，男，河南卫辉人，讲师，博士．研究方向：无线通信中的智能天线技术，自适应滤波器E—mail：hubingxin@163．com_汕头大学学报(自然科学版)第24卷开关电容电路的原理图如图1所示．⋯控制开关。和K：的通断，即可控制电荷的流动规律．若开关K闭合，开关K打开，则电源为电容充电，电荷转移至电容器上；若开关打开，开关闭合，则电容器放电，电荷转移至地节点．如果按照频率．交替将两个开关打开与闭合，则电荷也按这个速率移图1开关电容模拟电路原理动，即有关系式：i=qf．=C(2)显然，这个电

5、流与电阻中的电流不同，它不是连续的电荷运动．但是对于采样系统而言，这并不是一个问题，因为信号只在一个采样周期结束时才被采样一次．由式(2)得：u／i=1／cA垒．即电路中的伏安关系具有类似于电阻伏安关系的形式，可将该比值定义为电路的等效电阻，这样就解决了用电容代替电阻的问题，克服了在集成电路中小而精确的电阻集成困—难的缺点．显然，等效电阻与电容成反比，与开关切换频率也成反比．从原理中可以看出，电路欲正常工作的前提是开关的正确动作：首先必须确保两个开关不能同时闭合；其次必须确保一个开关闭合之前，另一个开关能

6、够及时断开；最后cr还必须合理选择切换速率以便电路有足够的时间进行完全的充、放电．2典型电路——有源放大器许多情况下都可以采用有源器件来实现开关电容电路，通过适当的设计可以构成放大器、加法器、积分器、微分器和A／D转换器等多种模块．图2是一种典型的开关电容电路——有源放大器的原理图．从图中可以看出，电路由1个运算放大器、2个电容和5个开关组成．这种电路的工作过程可以分成两步：一是获取信号，二是转移电荷．获取信号在获取信号过程中，有3个开图2开关电容有源放大器关联动闭合，如图3所示．此时，运算放大器配置为一

7、个跟随器，由于负反馈的作用，反相输入端被接虚地．但是实际上，运算放大器是有一定偏差的，这个偏差就是运算放大器的输入偏置电压．C。的输入端和的输出端均接地，这两个电容器就起到测量和存储偏置误差电压的作用，从而消除了这个电压在电荷传输过程中可能产生的影响．这个测量过程是由电路自动完成的，将其称为“自动迫零调节”．图3获取信号过程第2期胡冰新等：开关电容模拟电路原理及其应用65传输电荷图4为传输电荷过程的原理图，显然，有2个开关闭合．图中q=UiC是输入电容在输入电压作用下的充电电量，此时，这个电量只能沿着反馈

8、电容传输至输出端．根据电容元件的端口库伏关系，可以得到输出电压的如下公式：U=一q}C2．即有：图4传输电荷过程=一g／C2=一U~CI／C2．由此可知电路的增益G为：G=／i=一C1／C2．很明显，这是一个反相放大器，其增益由输入电容与反馈电容的比值确定．此时，输出端具有电压，而在信号获取过程中，输出端近似接地，等于偏置电压．需要注意的是，上述两个过程之间存在一个过渡时间，必须保证所有开关都断开．由于过渡时间极其短暂，电容存