Введение

Коммутируемый конденсатор (SC) - это электронная схема, которая выполняет функцию, перемещая заряды в конденсаторы и из них, когда электронные переключатели открываются и закрываются. Обычно для управления выключателями используются не перекрывающиеся сигналы часов, так что не все выключатели закрываются одновременно. Фильтры, реализованные с этими элементами, называются фильтрами с коммутируемым конденсатором, которые зависят только от соотношения между емкостями и частотой коммутации, а не от точных резисторов. Это делает их гораздо более подходящими для использования в интегральных схемах, где точно определенные резисторы и конденсаторы не являются экономичными для построения, но точные часы и точные относительные отношения емкостей являются экономичными. Схемы SC обычно реализуются с использованием технологии металлооксидных полупроводников (MOS), с конденсаторами MOS и коммутаторами MOS Field Effect Transistor (MOSFET), и они обычно изготавливаются с использованием процесса комплементарного MOS (CMOS). Общие применения MOS SC-схемы включают в себя смешанные сигналы интегральных схем, цифровых аналоговых преобразователей (DAC) чипов, аналоговых цифровых преобразователей (ADC) чипов, импульс-код модуляции (PCM) кодеков фильтров и цифровой телефонии PCM.

Разница с реальным резистором

Заряд передается изнутри наружу в виде дискретных импульсов, а не непрерывно. Эта передача приближается к эквивалентной непрерывной передаче заряда резистора, когда частота переключения достаточно выше (≥ 100x) чем предел полосы пропускания входного сигнала. Моделированная здесь схема SC с использованием идеальных переключателей с нулевым сопротивлением не страдает от потерь охмической нагревательной энергии обычного резистора, и поэтому в идеале ее можно назвать резистором без потерь. Однако реальные переключатели имеют небольшое сопротивление в своих каналах или pn-соединениях, поэтому мощность все еще рассеивается. Поскольку сопротивление внутри электрических переключателей, как правило, намного меньше, чем сопротивления в схемах, основанных на обычных резисторах, схемы SC могут иметь значительно меньший шум Johnson Nyquist. Однако гармоники частоты переключения могут проявляться в виде высокочастотного шума, который может потребоваться ослабить фильтром низкого пропускания. Симулируемые резисторы SC также имеют преимущество в том, что их эквивалентное сопротивление может быть скорректировано путем изменения частоты переключения (т.е. это программируемое сопротивление) с разрешением, ограниченным разрешением периода переключения. Таким образом, регулировка в режиме онлайн или во время выполнения может быть выполнена путем управления колебаниями переключателей (например, с использованием конфигурируемого тактового выходного сигнала от микроконтроллера).

Приложения

Симулированные резисторы SC используются в качестве замены реальных резисторов в интегральных схемах, поскольку их легче изготовить надежно с широким диапазоном значений и они могут занимать гораздо меньшую площадь кремния. Эта же схема может использоваться в дискретных системах времени (таких как ADC) в качестве схемы выборки и удержания. На соответствующей тактовой фазе конденсатор отбирает аналоговое напряжение через переключатель S1 и во второй фазе передает это содержащееся значение отбора образцов через переключатель S2 в электронную схему для обработки.

Фильтры

Электронные фильтры, состоящие из резисторов и конденсаторов, могут иметь свои резисторы, замененные эквивалентными переключенными конденсаторами, имитирующими резисторы, что позволяет производить фильтр, используя только переключатели и конденсаторы, не полагаясь на реальные резисторы.

Интегратор, чувствительный к паразитам

С коммутируемым конденсатором имитируемые резисторы могут заменить входный резистор в операционном усилителе, чтобы обеспечить точное увеличение напряжения и интеграцию. Одним из самых ранних из этих схем является паразитно-чувствительный интегратор, разработанный чешским инженером Бедрихом Хостицкой.

Использование в дискретных системах времени

Задерживающий паразитический нечувствительный интегратор широко используется в дискретных электронных схемах времени, таких как биквад-фильтры, анти-алиас-структуры и преобразователи данных дельта-сигма. Эта схема реализует следующую функцию домена z:

Умножающий цифровой-аналоговый преобразователь

Одной из полезных характеристик коммутируемых конденсаторных схем является то, что они могут использоваться для выполнения многих задач схем одновременно, что затруднительно с недискретными компонентами времени (т.е. аналоговой электроникой). Примером является умножающий цифровой на аналоговый преобразователь (MDAC), поскольку он может принимать аналоговый вход, добавлять к нему цифровое значение и умножать его на какой-либо фактор, основанный на отношениях конденсаторов. Выход MDAC дается следующим: MDAC является общим компонентом в современных аналоговых цифровых преобразователях трубопроводов, а также в другой точной аналоговой электронике, и был впервые создан в вышеуказанной форме Стивеном Льюисом и другими в лабораториях Белла.

Анализ контуров с коммутируемым конденсатором

Переключенные конденсаторные схемы анализируются путем записи уравнений сохранения заряда, как в этой статье, и их решения с помощью компьютерного алгебраического инструмента. Для ручного анализа и получения большего понимания схемы также можно провести анализ графики потока сигнала, используя метод, который очень похож на конденсатор с коммутацией и схемы непрерывного времени.