第14章 MOS开关电容电路

第14章MOS开关电容电路14.2开关电容积分器14.1开关电容等效电阻电路作业14.3开关电容低通滤波器概述概述MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电容组成，电路在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构成多种功能的电路。如SC等效电阻电路、SC积分电路、SC滤波电路等。为了突出对开关电容基本工作原理的论述，假定各元件具有理想特性，即模拟开关的导通电阻为零，关断电阻为无限大，不存在寄生电容；并假定模拟开关栅电压的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定MOS电容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。用MOSFET构成的模拟开关可用简单的单掷开关符号表示。14.1开关电容等效电阻电路

SC等效电阻电路由MOS模拟开关和MOS电容组成，这种电路可以等效为一个电阻。根据MOS开关和MOS电容在电路中的连接方式不同，可以分为串联型和并联型两种。规定所有的MOS开关和MOS电容均接在串臂的，称为串联型。MOS开关或MOS电容或它们两者均接在并臂的，称为并联型。一、并联型开关电容等效电阻电路两个MOS模拟开关管M1、M2分别受两相互补时钟控制，它们具有同频、相位相反、振幅相等而不重叠的特性。当φ为高电平时，M1导通M2截止，相当于简化图中的开关S1接向l端。电压V1向电容Cl充电至V1，此时电容C1上储存的电荷量为Q1＝Cl.V1。当φ为低电平时，M2导通M1截止，相当于开关S1接向2端。电容C1通过2端的负载放电形成电压V2，电容Cl上储存的电荷量为Q2＝Cl.V2。在这个过程中，通过电容C1从1端传送至2端的电荷量△Q为当电容C1固定时，改变时钟频率可以调节等效电阻的大小。同时，只要精确控制时钟频率和电容C1的数值，就可以得到精确的等效电阻。而要做到这一点，比直接做一个精确的电阻要容易得多，而且可以缩小芯片面积。例如，一般MOS电容C1的数值在0.1～100pF左右，如果取C1＝lpF，时钟频率fc＝100kHz，则可得到一个10MΩ的等效电阻。而一个lpF的MOS电容的面积约为0.0lmm2，为制造10MΩ电阻所需面积的1％。故采用MOS模拟开关电容电路代替电阻，将大大有利于MOS模拟电路集成度的提高。时间常数将只取决于时钟频率和两个电容Cl和C的比值。而时钟频率通常比较稳定、准确，所以时间常数将主要取决于C1／C。在MOS集成电路工艺中，两个电容的比值主要取决于电容的版图设计尺寸和光刻偏差，这些是比较容易控制的。所以，把电阻比和时间常数的精确控制归结到电容比值的控制是非常有利的。开关电容电路易于实现稳定、准确的时间常数。而在模拟电路中常遇到与时间有关的特性，如频率特性、延迟特性等，因此MOS开关电容电路得到了广泛的应用，并促进了模拟集成电路的发展。要注意两个条件：(1)采样频率fc应比信号最高频率fs高得多，即要求fc>>fs，才能使被采样的信号不失真地被还原。(2)1端和2端的电压V1和V2不能受开关闭合的影响，这样可避免开关闭合时，引起电路瞬变和瞬时信号电平的变化。二、串联型开关电容等效电阻电路当φ为高电平时，M1导通M2截止，电容C1上存储电荷量Q为：Q＝C1(V1-V2)。当φ为低电平时，M2导通M1截止，电容C1通过M2放电，电容C1上电荷量变为零。在开关接通和断开的一个周期Tc内，电容C1上的电荷变化量△Q为：△Q＝C1(V1-V2)。可见，△Q与并联型SC等效电阻电路在开关接通和断开的一个周期内电容C1上的电荷变化量相同。所以此电路在一个周期Tc内，1端向2端传递的平均电流和此电路的等效电阻Reff的表达式，与并联型SC等效电阻电路的相同。14.2开关电容积分器当fc一定时，SC积分器的传递函数只与C1和C2的比值有关，而与它们的绝对值无关。在集成电路工艺中，要获得精确的电容值很难，而要获得精确的电容比却不难实现。采用特种工艺，电容比的精度可达到0.0l％，并且具有良好的温度稳定性。这种积分器的缺点是寄生电容的影响较大。CPl是模拟开关管M1源-衬底的寄生电容，CP2和CP3是M1和M2的漏—衬底电容以及与电容C1相关的上极板和互连线的寄生电容，CP4是M2的源—衬底电容和运算放大器的输入电容，CP5和CP6是与积分电容C2相关的上下极板的寄生电容。各寄生电容对电路性能的影响不同，CPl与信号源并联，通常信号源内阻较小，所以CPl的影响可忽略。CP2和CP3直接与C1并联，其影响必须考虑，令CP＝CP2+CP3，C1’＝C1+CP。若运算放大器具有理想特性，则CP4和CP5的影响可以忽略，可以看作运算放大器负载的电容CP6的影响也可忽略。综上所述，如果输入信号源的内阻足够小，且运算放大器具有理想特性，则只需考虑CP2和CP3的影响，其作用相当于使C1的值增加了Cp。CP的存在改变了积分器的特性，而且CP是随加在其两端电压的不同而变化的非线性电容，这就失去了开关电容积分器易于得到准确和稳定的时间常数的优点。然而这些电容是在制造开关电容积分器时不可避免的，因此需要设法在电路结构上解决。当φ为高电平时，开关S1、S2接通，S3、S4断开，此时输出电压Vo为CP2和C1被充电到等于Vi的电压，而CP3因为和运算放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。在φ为低电平时，S1和S2断开，S3和S4接通，此时CP2、CP3和C1被短路。可见，在一个时钟周期内，CP2和CP3都不会影响电路中电荷的正常转移，从而消除了寄生电容对积分器性能的影响。14.3开关电容低通滤波器只利用MOS开关和电容即可构成简单的滤波器，不需要制作电阻。此外，网络的频率响应取决于时钟频率及两个电容的比值，而与电容的绝对数值无关。对于有源低通滤波器，因要求RC乘积大，而且精度高，故这种电路过去一直难以实现集成化。SC电路的出现，解决了这一难点