在 IC 級(jí)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理的最流行方法之一是開(kāi)關(guān)電容電路。該技術(shù)的應(yīng)用范圍包括濾波器、AC/DC 轉(zhuǎn)換器、比較器、電信以及介于兩者之間的一切。
    本文將介紹開(kāi)關(guān)電容器電路領(lǐng)域，從廣泛概述開(kāi)始，然后深入到基本電路塊：開(kāi)關(guān)電容器電阻器。
    什么是開(kāi)關(guān)電容電路？
    開(kāi)關(guān)電容器電路是一種離散時(shí)間電路，它利用開(kāi)關(guān)控制的電容器進(jìn)出電荷傳輸。開(kāi)關(guān)活動(dòng)通常由明確定義的非重疊時(shí)鐘控制，因此進(jìn)出電荷傳輸是明確且確定的。
    這些電路可以被認(rèn)為是一種采樣和保持電路，其中對(duì)值進(jìn)行采樣并通過(guò)電路傳遞以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

    具有非重疊時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)電容電路
    具有非重疊時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)電容電路。重新創(chuàng)建的圖像由Ma 等人提供 。
    開(kāi)關(guān)電容器電路在濾波器設(shè)計(jì)等應(yīng)用中非常受歡迎，這要?dú)w功于其極其精確的頻率響應(yīng)以及良好的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。
    正如我們稍后將看到的，開(kāi)關(guān)電容濾波器的離散時(shí)頻響應(yīng)完全由電容比和電路時(shí)鐘頻率設(shè)置，允許響應(yīng)精確設(shè)置在 0.1% 的數(shù)量級(jí)。另一方面，連續(xù)時(shí)間濾波器根據(jù) RC 時(shí)間常數(shù)設(shè)置其頻率響應(yīng)，其中值可能因工藝變化而變化多達(dá) 20%。
    開(kāi)關(guān)電容電阻器
    開(kāi)關(guān)電容電路設(shè)計(jì)的最基本構(gòu)件是開(kāi)關(guān)電容電阻器。如前所述，該電路有兩個(gè)相同頻率的非重疊時(shí)鐘 ?1 和 ?2。為了分析這個(gè)電路，我們將看兩個(gè)階段。

    開(kāi)關(guān)電容電阻器。
    開(kāi)關(guān)電容電阻器。重新創(chuàng)建的圖像由Carusone 等人提供。
    在第一階段，開(kāi)關(guān) 1 導(dǎo)通，開(kāi)關(guān) 2 關(guān)斷。在此設(shè)置中，電荷從節(jié)點(diǎn) V1 流入電容器。在第二階段，開(kāi)關(guān) 1 打開(kāi)，而開(kāi)關(guān) 2 閉合。此時(shí)，C1 連接到節(jié)點(diǎn) V2 并將充電或放電，直到電容器上的最終電壓為 V2。每個(gè)階段此費(fèi)用的總價(jià)值為
    \[Q_1 = C_1V_1\]
    \[Q_2=C_1V_2\]
    如果我們考慮電荷的總變化，我們得到以下等式：
    \[\Delta Q = C_1(V_1-V_2)=C_1 \Delta V\]
    知道電流被定義為電荷相對(duì)于時(shí)間的變化，而我們的時(shí)間變化只不過(guò)是我們的時(shí)鐘周期，我們可以得到這個(gè)開(kāi)關(guān)電容器上電流的平均值：
    \[I_{eq} = \frac{C_1(V_1 -V_2)}{T} = C_1 \Delta Vf\]
    最后，我們可以利用上面的等式求出電路的等效電阻：
    \[\mathbf{R_{eq}= \frac {T}{C_1} = \frac {1}{C_1f}}\]
    快速說(shuō)明：如果不提之前的分析假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸?shù)碾姾稍诙鄠€(gè)周期內(nèi)保持不變，我會(huì)忽略這一點(diǎn)，這使我們能夠近似平均電流和電阻。對(duì)于輸入信號(hào)相對(duì)于采樣頻率快速變化的情況，需要進(jìn)行離散時(shí)間 z 域分析。
    節(jié)省面積和控制頻率響應(yīng)
    從這些結(jié)果中，我們可以看到開(kāi)關(guān)電容電路的魔力：它們?cè)试S設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建非常嚴(yán)格控制的電阻，該電阻僅取決于時(shí)鐘頻率和電容器值。
    這種技術(shù)的一個(gè)好處是它有助于節(jié)省空間。實(shí)現(xiàn)大電阻通常需要相當(dāng)大的硅面積。使用開(kāi)關(guān)電容電路可以大大減小這兩個(gè)因素。
    具有非重疊時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)電容積分器
    具有非重疊時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)電容積分器。重建圖像由Tenhunen 等人提供。
    另一個(gè)好處是連續(xù)時(shí)間 RC 濾波器中電阻器和電容器之間的不匹配是有限的。與不同設(shè)備（電容器到電阻器）相比，相似設(shè)備之間的匹配（電容器到電容器）往往要好得多，從而使開(kāi)關(guān)電容濾波器的頻率響應(yīng)更加精確。
    最后，由于我們的電阻值完全由電容值和頻率設(shè)置，我們可以通過(guò)改變時(shí)鐘頻率來(lái)動(dòng)態(tài)改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng)。
    開(kāi)關(guān)電容電路的應(yīng)用廣泛而廣泛——這是有充分理由的。從濾波器到 ADC 的許多電路都利用這些技術(shù)來(lái)節(jié)省面積和嚴(yán)格控制頻率響應(yīng)。