開關(guān)電容電路能把模擬和數(shù)字功能集成在單芯片上,，這就是目前的片上系統(tǒng)。傳統(tǒng)的模擬信號處理電路采用持續(xù)時基電路,，包括電阻,、電容和運算放大器。持續(xù)時基模擬電路使用電阻比,、電阻強度或電阻值,、電容值等設(shè)置轉(zhuǎn)移函數(shù)。采用MOS技術(shù)的電阻和電容絕對準確性對實施模擬處理功能來說并不夠好,。不過,，相對而言，用MOS獲得的電容準確性還能夠接受,。此外,，制造高精度小型電容相對比較簡單，用MOS技術(shù)占用的空間相對于電阻而言比較少,。因此,，我們認為開關(guān)電容電路目前將逐漸取代傳統(tǒng)的持續(xù)時基電路。
工作方式
James Clerk Maxwell最早于1873年介紹了用電容仿真電阻的技術(shù),，當時他將電流計與電池,、安培計和電容串聯(lián)，并定期逆變電容,，從而檢測出電流計的電阻,。類似的方法也曾用于開關(guān)電容電路。通過MOS開關(guān)控制電荷流進出,，開關(guān)電容電路可用電容仿真電阻,。控制電荷流定義了電流,，從而定義了電阻,。以下電路顯示了電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動情況。
圖1：電荷通過電阻和開關(guān)電容的流動情況。
如果我們計算圖1(a)中通過電阻的電流,，應(yīng)采用以下方程式：
i= V/R ------(1)
在圖1(b)中,，?1和?2是非重疊時鐘。?1關(guān)閉時,，?2打開,，電容充電至電壓V。存儲在電容中的電荷可由以下方程式得出：
q = CV-----(2)
現(xiàn)在,，?1打開而?2 關(guān)閉,，存儲在電容中的電荷移動至接地。就每對精確時序開關(guān)閉合而言,，都要移動量子電荷,。如果開關(guān)頻率由fS得出，則通過電路的電流可由以下方程式得出,。
i = q/t = qfS = fSCV ------(3)
我們比較方程式1和3,，可得到：
R = 1/fSC --- --(4)
需要注意的重要一點是，等效電阻同電容值和開關(guān)頻率成反比,。這說明只需改變電容值或開關(guān)頻率就能改變電阻值,。在任何采用數(shù)字資源的系統(tǒng)中,，我們都能非常方便地修改開關(guān)頻率,，進而修改電阻。
PSoC的開關(guān)電容
賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件使用開關(guān)電容電路來實現(xiàn)可編程模擬功能,。在PSoC中,，模擬開關(guān)電容塊圍繞軌到軌輸入輸出、低偏置和低噪聲運算放大器而構(gòu)建,。大多數(shù)模擬電路在輸入和反饋路徑中都包括一些電容和電阻,。如果上述組件的值及其連接到運算放大器的方式可以編程，那么我們就能讓其根據(jù)我們的需要發(fā)揮作用,，也就是說可以讓其發(fā)揮反相放大器,、非反相放大器、過濾器,、積分器等不同作用,。以下是PSoC中可用的一般性開關(guān)電容電路的方框圖：
該模塊包含二進制加權(quán)開關(guān)電容陣列，使用戶能實現(xiàn)電容加權(quán)的可編程性,。在圖2中,，控制字段BSW可讓BCap作為開關(guān)電容或電容?？删幊痰?BCap開關(guān)電容連接到運算放大器的總和節(jié)點,。AnalogBus(模擬總線)開關(guān)將運算放大器的輸出與模擬緩沖相連接。CompBus(比較器總線)開關(guān)將比較器與數(shù)字塊相連接。輸入多路復(fù)用器能從外部輸入,、某些其他模擬塊輸出和內(nèi)部參考等輸入源中進行選擇,。控制配置的控制寄存器也有不同選擇,。由于寄存器位控制所有事項,，因此我們即便在運行時也能改變功能。這樣,，同樣的塊就能根據(jù)用戶的應(yīng)用需要而發(fā)揮不同的作用,。
反相放大器實施方案示例
以下是用普通開關(guān)電容電路實施反相放大器的示例，如圖3所示：
圖3： 用普通開關(guān)電容電路實施反相放大器的示例,。
本放大器包括運算放大器,、輸入電容(CA)、反饋電容(CF)和五個開關(guān),。
本電路工作分為兩個不同的階段——采集階段和電荷轉(zhuǎn)移,。
在采集階段，電路如下所示：
圖3(a)：采集階段的電路圖,。
在本階段,，電容的所有電荷接地，唯一的例外在于,，CF上由于輸入偏置電壓緣故有些電荷,。CA的輸入側(cè)設(shè)為接地，CF的輸出側(cè)也設(shè)為接地,。不過由于電荷方向在采集中不同,，因此在電荷轉(zhuǎn)移階段消除了偏置效應(yīng)。由于采集階段自動進行上述檢測,，因此又稱作“自動歸零”調(diào)整,。
在電荷轉(zhuǎn)移階段，電路如下所示：
圖3(b)：電荷轉(zhuǎn)移階段的電路圖,。
輸入電容中存儲的電流量CA計算如下：
q = VinCin -----(5)
電荷只能通過CF移出,，因為運算放大器的輸入阻抗很高。因此,，如果通過CF 傳輸?shù)碾姾闪繛閝,，那么輸出電壓為：
Vout = -q/CF ------(6)
以上方程式中的“-”取決于從接地(虛擬接地)到運算放大器輸出電荷的方向。
用方程式5和6,，我們得到增益如下：
Vout/Vin = -CA/CF ----- (7) 標準反相放大器方程式
不同電路都能用同樣的普通開關(guān)電容塊創(chuàng)建,，滿足過濾器、比較器,、調(diào)制器和積分器等不同設(shè)計模塊的要求,。
可編程模擬解決方案示例
我們接下來考慮以下開關(guān)電容積分器：
圖4：開關(guān)電容積分器,。
以下方程式定義了本積分器的輸出電壓：
Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----(8)
根據(jù)方程式8，轉(zhuǎn)移函數(shù)為：
Gain = Vout/Vin = CA/CF(1-z-1) = 1/s(fsCA/CF) -----(9)
根據(jù)方程式9,，我們可以發(fā)現(xiàn),，增益取決于電容值和開關(guān)頻率。上述任何一項變化都會改變積分器的增益,。
下面,，假設(shè)我們一開始設(shè)計積分器增益為2，隨著需求的變化,，希望增益為3,，那么我們只需將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)為原先的1.5倍即可。
濾波器也可被看作另一個例子,。如果用開關(guān)電容電路設(shè)計濾波器,，我們只需同樣改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)其截止頻率。
本文小結(jié)
我們可以非常容易地看出上述設(shè)計方法的優(yōu)勢所在,?？删幊探鉀Q方案能加快產(chǎn)品投放市場的速度。集成式運算放大器配合可編程電容開關(guān)使我們在不大幅 改動原理圖或板布局的情況下就能改變設(shè)計功能,，而固定功能塊實施方案則無法實現(xiàn)這一點,。從以上示例中，我們可以看出大多數(shù)模擬電路的基本構(gòu)建塊由運算放大 器以及一些開關(guān)電容組成,，我們可通過系統(tǒng)中的其他數(shù)字電路控制這些開關(guān),，只需改變開關(guān)頻率就能調(diào)節(jié)電阻值，從而體現(xiàn)出片上模擬解決方案的可編程屬性,。高度 集成加上可編程性所帶來的出色靈活性有助于節(jié)約BOM,，減少板上空間占用,，而且在任何設(shè)計階段無需太多努力就能修改設(shè)計方案,。