模擬集成電路新技術(new analog ic technologies)
模擬集成電路飛速發(fā)展,使用mos器件的模擬集成電路逐漸成為主流。mos器件具有尺寸小、功耗低等優(yōu)點,特別是它可以兼容數(shù)字電路的主流工藝。
采用數(shù)字工藝實現(xiàn)模擬功能:濾波中的開關電容技術和數(shù)據(jù)轉換中的∑-△技術
連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)
方框代表一個系統(tǒng),該系統(tǒng)可以是線性的或非線性的,也可以是處理連續(xù)時間(模擬)信號的連續(xù)時間系統(tǒng)或處理離散信號的離散時間系統(tǒng)。
模擬電子系統(tǒng)就是典型的連續(xù)時間系統(tǒng)。
數(shù)字電子系統(tǒng)就是典型的離散時間系統(tǒng)。
抽樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
連續(xù)信號在離散瞬時間nt(n=0,1,2,…)下抽樣就得到抽樣數(shù)據(jù)信號,用x=(nt)表示,t為抽樣周期。
抽樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):處理抽樣數(shù)據(jù)信號的系統(tǒng)稱為抽樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
抽樣數(shù)據(jù)輸入和輸出信號通常表示成離散變量nt的函數(shù)。
x=x(nt),y=y(nt)
抽樣數(shù)據(jù)信號只在離散瞬時改變,因此,屬于離散時間系統(tǒng)。
抽樣數(shù)據(jù)電路
抽樣數(shù)據(jù)電路處理的是抽樣信號,即時間離散而幅度連續(xù)的信號,它是一種離散時間電路,所以其基本單元與數(shù)字電路類似,但因它所處理的信號沒有量化,所以不會產生量化噪聲。
抽樣數(shù)據(jù)電路主要有三種類型:
電荷耦合器件(ccd,charge coupled device)
開關電容電路(sc,switched capacitor circuits)
開關電流電路(si,switched current circuits)
開關電容電路
開關電容由兩個mos開關和mos電容組成。
φ1和φ1是不重疊的兩相時鐘脈沖,因此兩只mos管輪流導通。
用開關電容來模仿電阻
開關電容相當于一個電阻
原理分析 :
在t=(n-1)tc時刻,開關打在左邊,電容充電至v1(t),其充電量為
qc(t)=c v1 [(n-1)tc]
在(n-1/2)tc時刻,開關打在右邊,電容放電至v2(t),電容上電量為
qc(t)=qc [(n-1/2)tc]=c v2 [(n-1/ 2)tc]
在每一個時鐘周期tc內,電容上電荷的變化量為
從近似平均的角度看,可以把一個tc內由v1(t)送往v2(t)的δqc(t)等效為一個平均電流ic(t),其大小為:
因為時鐘脈沖周期tc遠遠小于v1(t)和v2(t)的周期,故在tc內可認為v1(t)和2(t)v2(t)是恒值。
開關電容能模擬成電阻,解決了模擬集成電路制造中的一個關鍵問題。因為在集成電路制造過程中,電阻常常受到容差和熱漂移所困擾,而且要占據(jù)昂貴的芯片面積。
例如,制造一個10mω的集成電阻所占硅片襯底面積約為1mm2,而制造一個10mω的開關電容模擬電阻,在fc=100khz時,只要制造1pf的mos電容,該電容占用的硅片襯底面積只有0.01 mm2。
開關電容積分器
模擬積分器
用開關電容代替積分器中的電阻
當ωc>>ω時,由vi流向求和節(jié)點的電流就可以認為是連續(xù)的。
結論:
電路中沒有電阻。
特征頻率ω0取決于電容比值,采用現(xiàn)有的技術,很容易就可以達到低至0.1%的比值容差。
特征頻率ω0與時鐘頻率fc成比例,表明開關電容必然是可編程的。改變會在頻譜圖上使響應上移或下移。另一方面,如果需要一個固定和穩(wěn)定的特征頻率fc ,則可用一石英晶體振蕩器來產生fc。
有源雙二階濾波器
sc雙二階濾波器
單片集成濾波器
單片集成濾波器大都是scf。原因是它的時間常數(shù)取決于電容化集成工藝,可實現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定度的電容比。
單片集成scf較具代表性的產品主要有美國linear technology(凌特)公司生產的通用型(可組合為低通、帶通、高通等)和低通scf兩類。通用型scf主要有:ltc1059(2階)、ltc1060(4階)、ltc1061(6階)、ltc1064(8階)等。低通scf主要有:ltc1062/1063(5階)、ltc1064(8階)。
tl14——巴特沃斯四階低通開關電容濾波器
(1)低成本、易用;
(2)濾波器的截止頻率取決于外部時鐘頻率;
(3)截止頻率范圍從0.1hz至30khz。
fc= fclock /100