開關(guān)電容電路能把模擬和數(shù)字功能集成在單芯片上,，這就是目前的片上系統(tǒng),。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理電路采用持續(xù)時(shí)基電路，包括電阻,、電容和運(yùn)算放大器,。持續(xù)時(shí)基模擬電路使用電阻比、電阻強(qiáng)度或電阻值,、電容值等設(shè)置轉(zhuǎn)移函數(shù),。采用MOS技術(shù)的電阻和電容絕對(duì)準(zhǔn)確性對(duì)實(shí)施模擬處理功能來(lái)說(shuō)并不夠好。不過,，相對(duì)而言,，用MOS獲得的電容準(zhǔn)確性還能夠接受。此外,，制造高精度小型電容相對(duì)比較簡(jiǎn)單,，用MOS技術(shù)占用的空間相對(duì)于電阻而言比較少。因此,，我們認(rèn)為開關(guān)電容電路目前將逐漸取代傳統(tǒng)的持續(xù)時(shí)基電路,。
工作方式
James Clerk Maxwell最早于1873年介紹了用電容仿真電阻的技術(shù)，當(dāng)時(shí)他將電流計(jì)與電池,、安培計(jì)和電容串聯(lián),，并定期逆變電容，從而檢測(cè)出電流計(jì)的電阻,。類似的方法也曾用于開關(guān)電容電路,。通過MOS開關(guān)控制電荷流進(jìn)出，開關(guān)電容電路可用電容仿真電阻,?？刂齐姾闪鞫x了電流，從而定義了電阻,。以下電路顯示了電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動(dòng)情況,。
圖1：電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動(dòng)情況,。
如果我們計(jì)算圖1(a)中通過電阻的電流，應(yīng)采用以下方程式：
i= V/R ------(1)
在圖1(b)中,，?1和?2是非重疊時(shí)鐘,。?1關(guān)閉時(shí)，?2打開,，電容充電至電壓V,。存儲(chǔ)在電容中的電荷可由以下方程式得出：
q = CV-----(2)
現(xiàn)在，?1打開而?2 關(guān)閉,，存儲(chǔ)在電容中的電荷移動(dòng)至接地,。就每對(duì)精確時(shí)序開關(guān)閉合而言，都要移動(dòng)量子電荷,。如果開關(guān)頻率由fS得出,，則通過電路的電流可由以下方程式得出。
i = q/t = qfS = fSCV ------(3)
我們比較方程式1和3,，可得到：
R = 1/fSC --- --(4)
需要注意的重要一點(diǎn)是,，等效電阻同電容值和開關(guān)頻率成反比。這說(shuō)明只需改變電容值或開關(guān)頻率就能改變電阻值,。在任何采用數(shù)字資源的系統(tǒng)中,，我們都能非常方便地修改開關(guān)頻率，進(jìn)而修改電阻,。
PSoC的開關(guān)電容
賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件使用開關(guān)電容電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程模擬功能,。在PSoC中，模擬開關(guān)電容塊圍繞軌到軌輸入輸出,、低偏置和低噪聲運(yùn)算放大器而構(gòu)建,。大多數(shù)模擬電路在輸入和反饋路徑中都包括一些電容和電阻。如果上述組件的值及其連接到運(yùn)算放大器的方式可以編程,，那么我們就能讓其根據(jù)我們的需要發(fā)揮作用,，也就是說(shuō)可以讓其發(fā)揮反相放大器、非反相放大器,、過濾器,、積分器等不同作用。以下是PSoC中可用的一般性開關(guān)電容電路的方框圖：
該模塊包含二進(jìn)制加權(quán)開關(guān)電容陣列,，使用戶能實(shí)現(xiàn)電容加權(quán)的可編程性,。在圖2中，控制字段BSW可讓BCap作為開關(guān)電容或電容,。可編程的 BCap開關(guān)電容連接到運(yùn)算放大器的總和節(jié)點(diǎn),。AnalogBus(模擬總線)開關(guān)將運(yùn)算放大器的輸出與模擬緩沖相連接,。CompBus(比較器總線)開關(guān)將比較器與數(shù)字塊相連接,。輸入多路復(fù)用器能從外部輸入、某些其他模擬塊輸出和內(nèi)部參考等輸入源中進(jìn)行選擇,?？刂婆渲玫目刂萍拇嫫饕灿胁煌x擇。由于寄存器位控制所有事項(xiàng),，因此我們即便在運(yùn)行時(shí)也能改變功能,。這樣，同樣的塊就能根據(jù)用戶的應(yīng)用需要而發(fā)揮不同的作用,。
反相放大器實(shí)施方案示例
以下是用普通開關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例,，如圖3所示：
圖3： 用普通開關(guān)電容電路實(shí)施反相放大器的示例。
本放大器包括運(yùn)算放大器,、輸入電容(CA),、反饋電容(CF)和五個(gè)開關(guān)。
本電路工作分為兩個(gè)不同的階段——采集階段和電荷轉(zhuǎn)移,。
在采集階段,，電路如下所示：
圖3(a)：采集階段的電路圖。
在本階段,，電容的所有電荷接地,，唯一的例外在于，CF上由于輸入偏置電壓緣故有些電荷,。CA的輸入側(cè)設(shè)為接地,，CF的輸出側(cè)也設(shè)為接地。不過由于電荷方向在采集中不同,，因此在電荷轉(zhuǎn)移階段消除了偏置效應(yīng),。由于采集階段自動(dòng)進(jìn)行上述檢測(cè)，因此又稱作“自動(dòng)歸零”調(diào)整,。
在電荷轉(zhuǎn)移階段,，電路如下所示：
圖3(b)：電荷轉(zhuǎn)移階段的電路圖。
輸入電容中存儲(chǔ)的電流量CA計(jì)算如下：
q = VinCin -----(5)
電荷只能通過CF移出,，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入阻抗很高,。因此，如果通過CF 傳輸?shù)碾姾闪繛閝,，那么輸出電壓為：
Vout = -q/CF ------(6)
以上方程式中的“-”取決于從接地(虛擬接地)到運(yùn)算放大器輸出電荷的方向,。
用方程式5和6，我們得到增益如下：
Vout/Vin = -CA/CF ----- (7) 標(biāo)準(zhǔn)反相放大器方程式
不同電路都能用同樣的普通開關(guān)電容塊創(chuàng)建,，滿足過濾器,、比較器、調(diào)制器和積分器等不同設(shè)計(jì)模塊的要求。
可編程模擬解決方案示例
我們接下來(lái)考慮以下開關(guān)電容積分器：
圖4：開關(guān)電容積分器,。
以下方程式定義了本積分器的輸出電壓：
Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----(8)
根據(jù)方程式8,，轉(zhuǎn)移函數(shù)為：
Gain = Vout/Vin = CA/CF(1-z-1) = 1/s(fsCA/CF) -----(9)
根據(jù)方程式9，我們可以發(fā)現(xiàn),，增益取決于電容值和開關(guān)頻率,。上述任何一項(xiàng)變化都會(huì)改變積分器的增益。
下面,，假設(shè)我們一開始設(shè)計(jì)積分器增益為2,，隨著需求的變化，希望增益為3,，那么我們只需將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)為原先的1.5倍即可,。
濾波器也可被看作另一個(gè)例子。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計(jì)濾波器,，我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率,。
本文小結(jié)
我們可以非常容易地看出上述設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)所在?？删幊探鉀Q方案能加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度,。集成式運(yùn)算放大器配合可編程電容開關(guān)使我們?cè)诓淮蠓?改動(dòng)原理圖或板布局的情況下就能改變?cè)O(shè)計(jì)功能，而固定功能塊實(shí)施方案則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),。從以上示例中,，我們可以看出大多數(shù)模擬電路的基本構(gòu)建塊由運(yùn)算放大 器以及一些開關(guān)電容組成，我們可通過系統(tǒng)中的其他數(shù)字電路控制這些開關(guān),，只需改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)電阻值,，從而體現(xiàn)出片上模擬解決方案的可編程屬性。高度 集成加上可編程性所帶來(lái)的出色靈活性有助于節(jié)約BOM,，減少板上空間占用,，而且在任何設(shè)計(jì)階段無(wú)需太多努力就能修改設(shè)計(jì)方案。