第14章 MOS開關電容電路

第14章MOS開關電容電路14.2開關電容積分器14.1開關電容等效電阻電路作業(yè)14.3開關電容低通濾波器概述概述MOS開關電容電路(SC電路)是由MOS模擬開關和MOS電容組成，電路在時鐘信號的控制下，完成電荷的存儲和轉換。它和運放、比較器等基本電路組合起來，可以構成多種功能的電路。如SC等效電阻電路、SC積分電路、SC濾波電路等。為了突出對開關電容基本工作原理的論述，假定各元件具有理想特性，即模擬開關的導通電阻為零，關斷電阻為無限大，不存在寄生電容；并假定模擬開關柵電壓的設計滿足使開關正常工作的條件。此外還假定MOS電容沒有損耗；不考慮時鐘信號的上升、下降沿；運算放大器的增益和輸入電阻足夠高，并且頻帶足夠寬。用MOSFET構成的模擬開關可用簡單的單擲開關符號表示。14.1開關電容等效電阻電路

SC等效電阻電路由MOS模擬開關和MOS電容組成，這種電路可以等效為一個電阻。根據(jù)MOS開關和MOS電容在電路中的連接方式不同，可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。規(guī)定所有的MOS開關和MOS電容均接在串臂的，稱為串聯(lián)型。MOS開關或MOS電容或它們兩者均接在并臂的，稱為并聯(lián)型。一、并聯(lián)型開關電容等效電阻電路兩個MOS模擬開關管M1、M2分別受兩相互補時鐘控制，它們具有同頻、相位相反、振幅相等而不重疊的特性。當φ為高電平時，M1導通M2截止，相當于簡化圖中的開關S1接向l端。電壓V1向電容Cl充電至V1，此時電容C1上儲存的電荷量為Q1＝Cl.V1。當φ為低電平時，M2導通M1截止，相當于開關S1接向2端。電容C1通過2端的負載放電形成電壓V2，電容Cl上儲存的電荷量為Q2＝Cl.V2。在這個過程中，通過電容C1從1端傳送至2端的電荷量△Q為當電容C1固定時，改變時鐘頻率可以調節(jié)等效電阻的大小。同時，只要精確控制時鐘頻率和電容C1的數(shù)值，就可以得到精確的等效電阻。而要做到這一點，比直接做一個精確的電阻要容易得多，而且可以縮小芯片面積。例如，一般MOS電容C1的數(shù)值在0.1～100pF左右，如果取C1＝lpF，時鐘頻率fc＝100kHz，則可得到一個10MΩ的等效電阻。而一個lpF的MOS電容的面積約為0.0lmm2，為制造10MΩ電阻所需面積的1％。故采用MOS模擬開關電容電路代替電阻，將大大有利于MOS模擬電路集成度的提高。時間常數(shù)將只取決于時鐘頻率和兩個電容Cl和C的比值。而時鐘頻率通常比較穩(wěn)定、準確，所以時間常數(shù)將主要取決于C1／C。在MOS集成電路工藝中，兩個電容的比值主要取決于電容的版圖設計尺寸和光刻偏差，這些是比較容易控制的。所以，把電阻比和時間常數(shù)的精確控制歸結到電容比值的控制是非常有利的。開關電容電路易于實現(xiàn)穩(wěn)定、準確的時間常數(shù)。而在模擬電路中常遇到與時間有關的特性，如頻率特性、延遲特性等，因此MOS開關電容電路得到了廣泛的應用，并促進了模擬集成電路的發(fā)展。要注意兩個條件：(1)采樣頻率fc應比信號最高頻率fs高得多，即要求fc>>fs，才能使被采樣的信號不失真地被還原。(2)1端和2端的電壓V1和V2不能受開關閉合的影響，這樣可避免開關閉合時，引起電路瞬變和瞬時信號電平的變化。二、串聯(lián)型開關電容等效電阻電路當φ為高電平時，M1導通M2截止，電容C1上存儲電荷量Q為：Q＝C1(V1-V2)。當φ為低電平時，M2導通M1截止，電容C1通過M2放電，電容C1上電荷量變?yōu)榱?。在開關接通和斷開的一個周期Tc內，電容C1上的電荷變化量△Q為：△Q＝C1(V1-V2)?？梢姡鱍與并聯(lián)型SC等效電阻電路在開關接通和斷開的一個周期內電容C1上的電荷變化量相同。所以此電路在一個周期Tc內，1端向2端傳遞的平均電流和此電路的等效電阻Reff的表達式，與并聯(lián)型SC等效電阻電路的相同。14.2開關電容積分器當fc一定時，SC積分器的傳遞函數(shù)只與C1和C2的比值有關，而與它們的絕對值無關。在集成電路工藝中，要獲得精確的電容值很難，而要獲得精確的電容比卻不難實現(xiàn)。采用特種工藝，電容比的精度可達到0.0l％，并且具有良好的溫度穩(wěn)定性。這種積分器的缺點是寄生電容的影響較大。CPl是模擬開關管M1源-襯底的寄生電容，CP2和CP3是M1和M2的漏—襯底電容以及與電容C1相關的上極板和互連線的寄生電容，CP4是M2的源—襯底電容和運算放大器的輸入電容，CP5和CP6是與積分電容C2相關的上下極板的寄生電容。各寄生電容對電路性能的影響不同，CPl與信號源并聯(lián)，通常信號源內阻較小，所以CPl的影響可忽略。CP2和CP3直接與C1并聯(lián)，其影響必須考慮，令CP＝CP2+CP3，C1’＝C1+CP。若運算放大器具有理想特性，則CP4和CP5的影響可以忽略，可以看作運算放大器負載的電容CP6的影響也可忽略。綜上所述，如果輸入信號源的內阻足夠小，且運算放大器具有理想特性，則只需考慮CP2和CP3的影響，其作用相當于使C1的值增加了Cp。CP的存在改變了積分器的特性，而且CP是隨加在其兩端電壓的不同而變化的非線性電容，這就失去了開關電容積分器易于得到準確和穩(wěn)定的時間常數(shù)的優(yōu)點。然而這些電容是在制造開關電容積分器時不可避免的，因此需要設法在電路結構上解決。當φ為高電平時，開關S1、S2接通，S3、S4斷開，此時輸出電壓Vo為CP2和C1被充電到等于Vi的電壓，而CP3因為和運算放大器的輸入端相連，所以兩端的電壓為零。在φ為低電平時，S1和S2斷開，S3和S4接通，此時CP2、CP3和C1被短路?？梢姡谝粋€時鐘周期內，CP2和CP3都不會影響電路中電荷的正常轉移，從而消除了寄生電容對積分器性能的影響。14.3開關電容低通濾波器只利用MOS開關和電容即可構成簡單的濾波器，不需要制作電阻。此外，網(wǎng)絡的頻率響應取決于時鐘頻率及兩個電容的比值，而與電容的絕對數(shù)值無關。對于有源低通濾波器，因要求RC乘積大，而且精度高，故這種電路過去一直難以實現(xiàn)集成化。SC電路的出現(xiàn)，解決了這一難點