在IC級實現模擬信號處理的最常用方法之一是開關電容電路。該技術的應用 范圍從濾波器、AC/DC轉換器、比較器、電信以及介于兩者之間的所有產品。

本文將介紹開關電容電路領域，首先概述，然后深入探討基本電路模塊：開關電容電阻器。

什么是開關電容電路？

開關電容電路是一種離散時間電路，利用由開關控制的電容器進出的電荷轉移。開關活動通常由定義明確的非重疊時鐘控制，因此電荷傳入和傳出是明確定義和確定的。

這些電路可以被認為是一種采樣保持電路，其中值被采樣并通過電路傳遞以實現所需的功能。

具有非重疊時鐘的開關電容電路

開關電容電路因其極其精確的頻率響應以及良好的線性度和動態范圍而在濾波器設計等應用中非常受歡迎。

正如我們稍后將看到的，開關電容濾波器的離散時頻響應完全由電容比和電路時鐘頻率設置，允許響應精確設置在0.1%量級。另一方面，連續時間濾波器根據RC時間常數設置其頻率響應，其中的值可能因過程變化而變化多達20%。

開關電容電阻器

開關電容電路設計最基本的構建模塊是 開關電容電阻。如前所述，該電路有兩個相同頻率的非重疊時鐘?1和?2。為了分析這個電路，我們將看兩個階段。

開關電容電阻

在第一階段，開關 1 打開，而開關 2 關閉。在此設置中，電荷從節點V1流入電容器。在第二階段，開關 1 打開，而開關 2

關閉。此時，C1連接到節點V2，并將充電或放電，直到電容器上的最終電壓為V2。每個階段的該費用的總價值為

如果我們考慮收費的總變化，我們得到以下等式：

知道電流被定義為電荷相對于時間的變化，并且我們的時間變化只不過是我們的時鐘周期，我們可以得到這個開關電容器上的電流平均值：

最后，我們可以使用上式來求出電路的等效電阻：

快速說明：我不能不提前面的分析假設每個時鐘周期傳輸的電荷在許多周期內是恒定的，使我們能夠近似平均電流和電阻。對于輸入信號相對于采樣頻率快速變化的情況，需要進行離散時間z域分析。

節省面積和受控頻率響應

從這些結果中，我們可以看到開關電容電路的魔力：它們 允許設計人員創建非常嚴格控制的電阻 這僅取決于時鐘頻率和電容值。

這種技術的一個好處是它有助于節省空間。實現大電阻通常需要相當大的硅面積。使用開關電容電路可以顯著減小這兩個因素。

具有非重疊時鐘的開關電容積分器

另一個好處是，連續時間RC濾波器中電阻和電容之間的不匹配是有限制的。與不同的器件（電容到電阻）相比，類似器件之間的匹配（電容器到電容）往往要好得多，這使得開關電容濾波器的頻率響應更加精確。

小結

最后，由于我們的電阻值完全由電容值和頻率設置，因此我們可以通過改變時鐘頻率來動態改變濾波器的頻率響應。

開關電容電路的應用范圍很廣，這是有充分理由的。從濾波器到ADC的許多電路都利用這些技術來節省面積并嚴格控制頻率響應。

編輯：黃飛

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