所有物理系統設計都需要模擬和數字功能。該領域的模塊化、可編程設計對滿足未來應用的高標準要求至關重要。因此，越來越多的設計開始采用混合信號方法。可擴展性和客戶要求的動態變化是設計人員用混合功能組件實施系統所面臨的兩大挑戰。模塊化可編程設計有助于解決設計晚期階段不同器件之間設計方案的移植問題。因此，可編程解決方案相對于固定功能實施方案而言始終是更好的選擇。在模擬領域實施可編程解決方案一直非常困難。開關電容電路的使用非常有助于解決上述困難。開關電容塊是可編程模擬解決方案的基本構建塊。

　　開關電容電路能把模擬和數字功能集成在單芯片上，這就是目前的片上系統。傳統的模擬信號處理電路采用持續時基電路，包括電阻、電容和運算放大器。持續時基模擬電路使用電阻比、電阻強度或電阻值、電容值等設置轉移函數。采用MOS技術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技術占用的空間相對于電阻而言比較少。因此，我們認為開關電容電路目前將逐漸取代傳統的持續時基電路。

　　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，當時他將電流計與電池、安培計和電容串聯，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電容電路。通過MOS開關控制電荷流進出，開關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電容的流動情況。

　　圖1：電荷通過電阻和開關電容的流動情況。

　　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）

　　現在，？1打開而？2 關閉，存儲在電容中的電荷移動至接地。就每對精確時序開關閉合而言，都要移動量子電荷。如果開關頻率由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頻率成反比。這說明只需改變電容值或開關頻率就能改變電阻值。在任何采用數字資源的系統中，我們都能非常方便地修改開關頻率，進而修改電阻。

　　PSoC的開關電容

　　賽普拉斯的可編程片上系統（PSoC）器件使用開關電容電路來實現可編程模擬功能。在PSoC中，模擬開關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建。大多數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我們的需要發揮作用，也就是說可以讓其發揮反相放大器、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電容電路的方框圖：

　　該模塊包含二進制加權開關電容陣列，使用戶能實現電容加權的可編程性。在圖2中，控制字段BSW可讓BCap作為開關電容或電容。可編程的BCap開關電容連接到運算放大器的總和節點。AnalogBus（模擬總線）開關將運算放大器的輸出與模擬緩沖相連接。CompBus（比較器總線）開關將比較器與數字塊相連接。輸入多路復用器能從外部輸入、某些其他模擬塊輸出和內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，同樣的塊就能根據用戶的應用需要而發揮不同的作用。

　　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。

　　本電路工作分為兩個不同的階段——采集階段和電荷轉移。

　　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的輸入側設為接地，CF的輸出側也設為接地。不過由于電荷方向在采集中不同，因此在電荷轉移階段消除了偏置效應。由于采集階段自動進行上述檢測，因此又稱作“自動歸零”調整。

　　在電荷轉移階段，電路如下所示：

　　圖3（b）：電荷轉移階段的電路圖。

　　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 傳輸的電荷量為q，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電容塊創建，滿足過濾器、比較器、調制器和積分器等不同設計模塊的要求。

　　可編程模擬解決方案示例

　　我們接下來考慮以下開關電容積分器：

　　圖4：開關電容積分器。

　　以下方程式定義了本積分器的輸出電壓：

　　Vout = Vout z-1 + VinCA/CF -----（8）

　　根據方程式8，轉移函數為：

　　Gain = Vout/Vin = CA/CF（1-z-1） = 1/s（fsCA/CF） -----（9）

　　根據方程式9，我們可以發現，增益取決于電容值和開關頻率。上述任何一項變化都會改變積分器的增益。

　　下面，假設我們一開始設計積分器增益為2，隨著需求的變化，希望增益為3，那么我們只需將開關頻率調節為原先的1.5倍即可。

　　濾波器也可被看作另一個例子。如果用開關電容電路設計濾波器，我們只需同樣改變開關頻率就能調節其截止頻率。

　　本文小結

　　我們可以非常容易地看出上述設計方法的優勢所在。可編程解決方案能加快產品投放市場的速度。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計功能，而固定功能塊實施方案則無法實現這一點。從以上示例中，我們可以看出大多數模擬電路的基本構建塊由運算放大器以及一些開關電容組成，我們可通過系統中的其他數字電路控制這些開關，只需改變開關頻率就能調節電阻值，從而體現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約BOM，減少板上空間占用，而且在任何設計階段無需太多努力就能修改設計方案。這可賦予應用和系統工程師強大的功能，幫助他們盡快縮短向市場推出產品的時間，在今天快速發展的市場中更好地滿足不斷變化的應用需求。