6.1开关电容和开关电流网络简介6.2开关电容等效电阻的原理6.3开关电容积分器6.4寄生电容不敏感(mǐngǎn)的开关电容积分器6.5开关电容积分器的信号流图分析6.6一阶开关电容滤波器的分析与设计6.7二阶开关电容滤波器的分析与设计6.8高阶开关电容滤波器的分析与设计6.9开关电流滤波器简介参考文献电路理论与设计6.1开关电容(diànróng)和开关电流网络简介什么(shénme)是开关电容网络和开关电流网络电路理论与设计为了进一步减小芯片的面积并且采用标准的CMOS工艺，20世纪80年代末在开关(kāiguān)电容技术的基础上又发展了一种新的数据取样技术，这就是开关(kāiguān)电流技术。这种技术依靠MOS管自身的电容而不是外部电容实现信号的存储，通过开关(kāiguān)和电流镜而不是电容对输入信号进行处理和运算，并以电流而不是电压的形式将信号输出。用这种技术设计的电路的最大优点就是适合于采用标准的数字CMOS工艺进行集成，生产同样功能的电路所需的芯片面积比开关(kāiguān)电容电路更小。为什么要研究(yánjiū)开关电容网络和开关电流网络电路理论与设计由于有源RC滤波器在体积、重量和增益方面的明显优点，使它的应用范围得到了很大的拓展。特别重要的是，有源RC滤波器的基本原理和一些基本电路仍然是目前实现大规模和超大规模集成电路的基础。但是，有源RC滤波器在集成实现时遇到很多问题，主要是：①不便于用MOS工艺直接集成。有源RC滤波器可以用混合集成技术集成，但这种技术与目前的主流集成技术不兼容。目前的主流集成工艺是MOS集成工艺。②体积较大，需占用较大的芯片(xīnpiàn)面积。在MOS工艺中，为了不占用过大的芯片(xīnpiàn)面积，很少能将MOS电容做到大于100pF。③元件的精度不高。用MOS工艺集成电阻和电容时，都会有5％～10％的误差。为了克服有源RC滤波器存在的缺点，人们设法(shèfǎ)在MOS电路中用开关和电容取代电阻。这就产生了开关电容电路。这种取代的意义正如20世纪60年代用有源器件取代电感一样重要，它是电路设计和制造中的又一次革命。用开关和电容取代电阻后，电路的组成只有MOS开关、MOS电容和MOS运放，电路的性能取决定于电容的比值。经过多年的发展，开关电容技术已经成为一种很成熟的技术，它在滤波器中的应用已十分广泛。开关电容滤波器具有很精确的频率响应、好的线性和大的动态范围。这主要是因为开关电容滤波器的精度是由电容的比值决定的，而集成电路中电容的比值可以做得非常精确。在稳定的MOS工艺条件下，虽然电容仍有5％～10％的制造误差，但电容比值的精度可以做到0.01％～0.1％。用开关电容技术可以很方便地实现大电阻。用开关和电容代替电阻以后，一个10MΩ的电阻可以用一个0.1pF的电容和切换频率为100kHz的开关代替。用MOS工艺集成实现这样一个等效电阻，大约需要0.01mm2的芯片面积。这大约是直接集成这样一个电阻所需芯片面积的不到百分之一。开关电容滤波器不仅克服了有源RC滤波器不便直接集成的主要缺点，同时还具有MOS电路的许多优点。因而得到了极其广泛的应用。开关电流网络除了具有开关电容网络的优点以外，用这种技术设计的电路的最大优点就是可以用标准的数字CMOS工艺而不是MOS工艺进行生产，而且同样(tóngyàng)功能的开关电流电路所需的芯片面积比开关电容电路更小，因而生产成本更低。开关(kāiguān)电容和开关(kāiguān)电流滤波器的分析与设计方法电路理论与设计开关电容和开关电流网络的分析方法与有源RC网络的分析方法有很多不同之处。这主要是由于开关电容和开关电流网络中存在周期开闭的开关，所以开关电容和开关电流网络的拓扑是随时间而变化的周期时变网络。因此，对开关电容和开关电流网络的分析是对周期时变网络的分析。而这种网络的分析比非时变网络的分析要困难得多。在需要进行精确分析的场合，通常采用计算机辅助分析。这方面有许多新的分析方法，目前占主流的是改进节点(jiédiǎn)法、状态变量法和等效电路法等。在开关电容和开关电流网络的分析中，对开关电容网络的非理想特性进行分析也是一个重要的研究课题。这种非理想特性通常包括运放的有限增益和带宽，开关有限闭合电阻等。开关电容和开关电流滤波器的主要设计方法有两类：—类是变换设计法，另一类是直接设计法。变换设计法就是在原来设计的连续时间滤波器的基础上，通过一定的变换，将连续时间滤波器转化(zhuǎnhuà)为开关电容滤波器。变换法的优点是简单、直观。它的另外一个极其重要的优点就是能够充分应用连续时间滤波器的研究成果来设计取样数据滤波器，从而大大加快了开关电容滤波器的发展。直接设计法是直接从滤波器的z域转移函数出发，以开关电容