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-технологии, 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 SW₁замкнут (SW₂разомкнут), конденсатор заряжается до напряжения U1. Когда конденсатор подключается к точке 2 (SW₁ разомкнут, SW₂ замкнут), со стороны 1 на сторону 2 передается заряд ΔQ, причем

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

В результате, при условии, что наивысшая частота спектра сигналов U₁или U₂ значительно меньше тактовой частоты f_такт элемент с коммутируемым конденсатором можно представить эквивалентным резистором R_ЭКВ:

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 в 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 /таит-

· Характеристики схемы можно сделать зависящими от отношения конденсаторов, которые изготавливаютея 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 пФ до 100 пФ (обычно 1пФ - 10пФ). Если С.= 5 пФ и f_такт = 1 кГц, то R_ЭКВ = 200 МОм.

Однако у этого способа имеются и недостатки.

· Коммутационные помехи с тактовой частотой, проникающие в ана­
логовую часть схемы, могут привести к появлению пульсаций амллитудой до нескольких мВ в выходном аналоговом сигнале. Частоту помехи, однако, обычно намного выше частоты аналогового сигна­ла и ее легко отфильтровать простейшим RC-фильтром.

· Перенос заряда (через проходные емкости МОП-ключей)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 Т = С₂/С₁f_такт.

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

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 С1' и C6' не влияют на работу схемы, так как они перезаряжа­ются от низкоомных источников соответственно входного и выходного сигналов. Емкости СУ и C4' соединены с виртуальной землей, и их влияние невелико. Однако емкости C2'и С3' включены параллельно С1, поэтому они изменяют постоянную времени и вызывают погрешности в работе фильтра. Этих погрешностей можно избежать, применяя сдвоенный ключ, показанный на рис.6.44б. Здесь влияние паразитных емкостей C2'и C3' устраняется введением дополнительных ключей SW₃ и SW₄ и изменением способа включения конденсатора C1. 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. 6.44в) и неинвертирующего (рис. 6.44г) вариантов.

Промышленность предлагает несколько микросхем фильтров с коммутируемым конденсатором. Из них наиболее популярна дешевая микросхема MF10, которая содержит два фильтра второго порядка общего применения. Все конденсаторы, ключи и активные элементы находятся внутри корпуса DIL с 20 выводами. Для построения фильтров с произведением Q_F·f₀равным 200 кГц и частотами сигналов до 20 кГц требуется несколько внешних резисторов и синхронизирующий сигнал.