开关电容电路：一文解析其原理与设计要点

发布时间：2023-02-01

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

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在本系列的文章中，我们将讨论模拟集成电路设计中一个基本的构建模块：开关电容电路。

开关电容电路是实现模拟信号处理的最常用方法之一，在滤波器、AC/DC转换器、比较器、电信等各种产品中得到广泛应用。

本文将介绍开关电容电路领域，首先对其进行概述，然后详细探讨其中的基本电路模块：开关电容电阻器。

那么，什么是开关电容电路呢？

开关电容电路是一种离散时间电路，利用由开关控制的电容器之间的电荷转移。通过明确定义的非重叠时钟控制来实现开关的操作，从而确保电荷的传入和传出过程是明确定义和确定的。

这些电路可以被视为采样保持电路，其作用是对值进行采样，并通过电路传递以实现所需功能。

开关电容电路因其极高的频率响应精度、良好的线性性和动态范围而在滤波器设计等应用中备受青睐。

正如我们稍后将看到的，开关电容滤波器的离散时频响应完全由电容比和电路时钟频率来设置，因此可以精确地调节响应至0.1%的水平。而连续时间滤波器则是根据RC时间常数来设置其频率响应，其值可能因工艺变化而变动高达20%。

开关电容电阻器

开关电容电路设计中最基本的构建模块是开关电容电阻器。正如前面所提到的，该电路具有两个相同频率且不重叠的时钟信号ø1和ø2。为了进行电路分析，我们将分为两个阶段来看。

在第一阶段中，开关1打开，而开关2关闭。在这种设置下，电荷从节点V1流入电容器。在第二阶段中，开关1打开，而开关2关闭。此时，C1连接到节点V2，并通过充电或放电过程，直到电容器上的最终电压达到V2。每个阶段的电荷变化的总量可以表示为：

如果我们考虑电荷的总变化量，我们可以得到以下等式：

由于电流被定义为电荷随时间的变化率，而我们的时间变化仅限于时钟周期，因此我们可以得到该开关电容电阻器上电流的平均值：

最后，我们可以使用上述公式计算电路的等效电阻：

需要注意的是，我在前面的分析中假设每个时钟周期传输的电荷在多个周期内保持恒定，这样我们才能近似计算平均电流和电阻。对于输入信号相对于采样频率快速变化的情况，需要进行离散时间域分析。

节省面积和可控制的频率响应

从上述结果中，我们可以看出开关电容电路的优势：它们允许设计人员创建严格控制的电阻，而这仅取决于时钟频率和电容值。

这种技术的一个好处是能够节省空间。实现大电阻通常需要相当大的硅片面积。而使用开关电容电路可以显著减小这两个因素。

另一个好处是，在连续时间RC滤波器中，电阻和电容之间的不匹配是有限制的。相比不同器件（电容与电阻）之间的匹配度，类似器件（电容与电容）之间的匹配度往往更好，这使得开关电容滤波器的频率响应更加精确。

总结

最后，我们可以通过改变时钟频率来动态调整滤波器的频率响应，因为电阻值完全由电容值和频率设置而确定。

开关电容电路的广泛应用是有充分的理由的。从滤波器到ADC等众多电路都利用这些技术，以节省空间并实现严格的频率控制。