Применение коммутируемых конденсаторов

При использовании этого метода для построения разнообразных аналоговых устройств, например аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, измерительных схем, фильтров и т.п., применяются аналоговые ключи, конденсаторы и ОУ. Основная идея метода заключается в имитации таких элементов, как резисторы, путем быстрого заряда и разряда конденсатора. Этот метод оказывается наиболее подходящим для СБИС, выполненных по МОП-тсхнологии, поскольку он позволяет реализовать в микросхемах аналоговые функции с помощью таких стандартных элементов, как МОП-транзисторы и конденсаторы небольшой емкости (пикофарады). Благодаря этому удается избежать применения таких традиционных элементов, как прецизионные и высокоомные резисторы, индуктивности и конденсаторы большой емкости, которые невозможно получить в рамках интегральной технологии.

Простейший элемент с коммутируемым конденсатором показан на рис. 6.42. Два ключа замыкаются и размыкаются противофазными управляющими импульсами так, что одновременно оба ключа никогда не бывают замкнуты (т.е. выключение одного ключа происходит раньше, чем включение другого).

Когда замкнут ( разомкнут), конденсатор заряжается до напряжения Когда конденсатор подключается к точке 2 ( разомкнут, замкнут), со стороны 1 на сторону 2 передается заряд , причем

Рис. 6.42. Простейший элемент с коммутируемым конденсатором.

Если заряд передается со стороны 1 на сторону 2 с частотой раз в секунду, то средний ток, протекающий между точками 1 и 2, равен

В результате, при условии, что наивысшая частота спектра сигналов или значительно меньше тактовой частоты элемент с коммутируемым конденсатором можно представить эквивалентным резистором Яэав-

Таким образом, мы получаем резистор с цифровым управлением, который может послужить основой многих дискретно-аналоговых схем, сейчас же нас интересуют только управляемые фильтры.

Рассмотрим основные возможности, предоставляемые этим методом.

— Можно избавиться от резисторов. По возможности и микросхемах стараются избегать применения резисторов из-за больших погрешностей при их изготовлении, значительных температурных коэффициентов и большой площади, занимаемой ими на кристалле.

— Характеристики аналоговых схем, например, частоту среза фильтра, можно сделать прямо пропорциональными тактовой частоте

— Характеристики схемы можно сделать зависящими от отношения конденсаторов, которые изготавливаются в микросхемах с высокой точностью (около 0,1%) и стабильностью.

— Можно получить большие значения эквивалентных резисторов. Например, диапазон возможных значений емкости конденсатора С составляет от долей до 100 пФ (обычно ). Если то .

Однако у этого способа имеются и недостатки.

Коммутационные помехи с тактовой частотой, проникающие в аналоговую часть схемы, могут привести к появлению пульсаций амплитудой

до нескольких мВ в выходном аналоговом сигнале. Частота помехи, однако, обычно намного выше частоты аналогового сигнала и ее легко отфильтровать простейшим -фильтром.

— Перенос заряда (через проходные емкости МОП-ключей — прим. ред.) и токи утечки могут привести к большим смещениям по постоянному току. Иногда они достигают 100 мВ.

Упрощенная схема интегратора с применением коммутируемого конденсатора показана на рис. 6.43; ее можно использовать как составную часть управляемого фильтра с переменными параметрами. В этой схеме входной резистор заменен на элемент с коммутируемым конденсатором (рис. 6.42). Выходное напряжение такого интегратора определяется соотношением:

а постоянная времени равна

Максимальная тактовая частота ограничена быстродействием ОУ и постоянной времени (С — емкость коммутируемого конденсатора, — сопротивление открытого ключа). Таким образом, практически значение Угдкт ограничено несколькими мегагерцами. Минимальное значение ограничивается смещениями, вызываемыми переносом заряда и токами утечки. В результате минимальное значение составляет несколько сотен герц.

Рис. 6.43. Интегратор с коммутируемым конденсатором.

(см. скан)

Рис. 6.44. Схемы с коммутируемым конденсатором и нейтрализацией паразитных емкостей: а) схема с коммутируемым конденсатором и пара зитными емкостями, б) схема с нейтрализацией паразитных емкостей, в) инвертирующее включение, г) неинвертирующее включение.

В рассмотренных схемах используются конденсаторы небольшой емкости (менее 100 пФ), поэтому в них возникают погрешности, связанные с переносом заряда и влиянием паразитных емкостей. Перенос заряда можно свести к минимуму оптимальной конструкцией ключа с применением согласованных транзисторов, с тем, чтобы заряд, переносимый через один из транзисторов ключа, компенсировался другим транзистором. На рис. 6.44а повторена схема интегратора с коммутируемым конденсатором (рис. 6.43), но с явным обозначением паразитных емкостей. Емкости СУ и Q не влияют на работу схемы, так как они перезаряжаются от низкоомных источников соответственно входного и выходного сигналов. Емкости Q и соединены с виртуальной землей, и их влияние невелико. Однако емкости включены параллельно поэтому они изменяют постоянную времени и вызывают погрешности в работе фильтра. Этих погрешностей можно избежать, применяя сдвоенный ключ, показанный на рис. 6.446. Здесь влияние паразитных емкостей устраняется введением дополнительных ключей и изменением способа включения конденсатора Паразитные емкости в каждом цикле разряжаются и не участвуют в процессе передачи заряда, их влияние становится пренебрежимо малым. На рис. 6.44 показаны еще два интегратора с нейтрализацией паразитных емкостей для инвертирующего (рис. 6.44 в) и неинвертирующего (рис. 6.44 г) вариантов.

Промышленность предлагает несколько микросхем фильтров с коммутируемым конденсатором. Из них наиболее популярна дешевая микросхема которая содержит два фильтра второго порядка общего применения. Все конденсаторы, ключи и активные элементы находятся внутри корпуса с 20 выводами. Для построения фильтров с произведением равным 200 кГц и частотами сигналов до 20 кГц требуется несколько внешних резисторов и синхронизирующий сигнал.