Схемы на переключаемых конденсаторах
Одним из наиболее популярных подходов к реализации обработки аналоговых сигналов на уровне микросхем являются схемы на переключаемых конденсаторах. Области применения этой технологии варьируются от фильтров, преобразователей переменного/постоянного тока, компараторов, телекоммуникационного оборудования и всего, что со всем этим связано.
В этой статье будет представлена основная информация о схемах на переключаемых конденсаторах. Начнем мы с широкого обзора, а затем перейдем к базовому блоку такой схемотехники: резистору на переключаемых конденсаторах.
Что из себя представляют схемы на переключаемых конденсаторах
Схема на переключаемых конденсаторах – это схема с дискретным временем, которая использует перенос заряда в конденсатор и из него, управляемый переключателями. Активность переключения обычно контролируется четко определенными, неперекрывающимися тактовыми сигналами, так что входной и выходной заряды четко определены и детерминированы. Эти схемы можно рассматривать как тип схемы выборки и хранения, где значения дискретизируются и передаются по схеме для достижения желаемой функциональности.
Схемы на переключаемых конденсаторах очень популярны в таких приложениях, как схемы фильтров, благодаря их чрезвычайно точной частотной характеристике, а также хорошей линейности и динамическому диапазону. Дискретные частотно-временные характеристики фильтров с переключаемыми конденсаторами полностью задаются отношениями емкостей и тактовой частотой схемы, что позволяет точно установить отклик порядка 0,1%. С другой стороны, фильтры с непрерывным временем устанавливают свою частотную характеристику на основе постоянных времени RC-цепей, где значения могут варьироваться до 20% из-за изменений процесса.
Резистор на переключаемых конденсаторах
Самым фундаментальным блоком схем на переключаемых конденсаторах является резистор на переключаемых конденсаторах. Как уже упоминалось, в этой схеме есть два неперекрывающихся тактовых генератора с одинаковой частотой ø1 и ø2. Чтобы проанализировать эту схему, мы рассмотрим два этапа работы схемы.
На первом этапе ключ 1 включен, а ключ 2 выключен. В этой конфигурации заряд перетекает из узла V1 в конденсатор. На втором этапе ключ 1 размыкается, а ключ 2 замкнут. В этот момент C1 подключен к узлу V2 и будет либо заряжаться, либо разряжаться, пока конечное напряжение на конденсаторе не достигнет V2. Величина этого заряда на каждом этапе определяется как:
Если бы мы рассмотрели полное изменение заряда, мы получили бы следующие уравнения:
Зная, что ток определяется как изменение заряда относительно времени и что наше изменение во времени – не что иное, как наш тактовый период, мы можем получить среднее значение тока через этот переключаемый конденсатор.
Наконец, мы можем использовать приведенное выше уравнение, чтобы найти эквивалентное сопротивление цепи:
Небольшое примечание: было бы упущением не упомянуть, что предыдущий анализ предполагает, что заряд, передаваемый за тактовый цикл, является постоянным в течение многих циклов, что позволяет нам приблизительно определить средние токи и сопротивления. Для ситуаций, в которых входной сигнал быстро изменяется относительно частоты дискретизации, требуется анализ в z-области дискретного времени.
Преимущества схем на переключаемых конденсаторах
Из этих результатов мы можем увидеть волшебство схем на переключаемых конденсаторах: они позволяют разработчикам создавать очень строго контролируемое сопротивление, которое зависит только от тактовой частоты и емкости конденсатора. Одним из преимуществ этого метода является то, что он помогает сэкономить место. Для достижения больших сопротивлений обычно требуется значительная площадь кремния. Оба фактора могут быть значительно уменьшены с помощью схем на переключаемых конденсаторах.
Еще одно преимущество заключается в том, что несоответствие между резисторами и конденсаторами в RC-фильтре с непрерывным временем является ограничивающим. Согласование между подобными устройствами обычно намного лучше (конденсатор с конденсатором), чем между разными устройствами (конденсатор с резистором), что делает фильтры на переключаемых конденсаторах более точными благодаря их частотной характеристике.
Наконец, поскольку значение нашего сопротивления полностью задается значением емкости и частотой, мы можем динамически изменять частотную характеристику нашего фильтра, изменяя тактовую частоту.
Схемы на переключаемых конденсаторах широко распространены – и на то есть веские причины. Многие схемы, от фильтров до АЦП, используют эти методы для экономии площади и обеспечения жестко контролируемых частотных характеристик.
© digitrode.ru