1、 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分析開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分析1 開關(guān)電容和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)的簡介開關(guān)電容和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)的簡介2 后向歐拉積分法后向歐拉積分法3 沖擊函數(shù)系統(tǒng)的求解沖擊函數(shù)系統(tǒng)的求解4 具有不連續(xù)初始電流網(wǎng)絡(luò)的求解具有不連續(xù)初始電流網(wǎng)絡(luò)的求解理想開關(guān)閉合時(shí)有零值導(dǎo)通電阻，打開時(shí)有零值斷開電導(dǎo)理想開關(guān)閉合時(shí)有零值導(dǎo)通電阻，打開時(shí)有零值斷開電導(dǎo)和零值動(dòng)作時(shí)間。和零值動(dòng)作時(shí)間。理想開關(guān)電路在動(dòng)作瞬間電流和電壓不連續(xù)。理想開關(guān)電路在動(dòng)作瞬間電流和電壓不連續(xù)。在開關(guān)動(dòng)作的瞬間，電壓和電流發(fā)生躍變，這種電路具有在開關(guān)動(dòng)作的瞬間，電壓和電流發(fā)生躍變，這種電路具有不連續(xù)的初始條件。不連續(xù)的初始條件。典型應(yīng)用：開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（典型應(yīng)

2、用：開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（SC）和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)（）和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)（SI）。）。什么是開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)什么是開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò) 由電容、運(yùn)算放大器和受時(shí)鐘控制的開關(guān)組成的有源網(wǎng)由電容、運(yùn)算放大器和受時(shí)鐘控制的開關(guān)組成的有源網(wǎng)絡(luò)稱為開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)。絡(luò)稱為開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)。開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)簡稱為開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)簡稱為SCN或或SC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。在在MOS集成電路中，它是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理的最流行的技集成電路中，它是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理的最流行的技術(shù)之一。用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)的濾波器稱為開關(guān)電容濾波術(shù)之一。用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)的濾波器稱為開關(guān)電容濾波器，簡稱為器，簡稱為SCF。SCF是開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)是開關(guān)

3、電容網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。用開關(guān)電容可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻、幅度域。用開關(guān)電容可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻、幅度均衡和相位均衡等各種濾波功能。均衡和相位均衡等各種濾波功能。 /為了進(jìn)一步減小芯片的面積并且采用標(biāo)準(zhǔn)的為了進(jìn)一步減小芯片的面積并且采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，工藝，20世紀(jì)世紀(jì)80年代末在開關(guān)電容技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種新的數(shù)年代末在開關(guān)電容技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種新的數(shù)據(jù)取樣技術(shù)，這就是開關(guān)電流技術(shù)。這種技術(shù)依靠據(jù)取樣技術(shù)，這就是開關(guān)電流技術(shù)。這種技術(shù)依靠MOS管自身管自身的電容而不是外部電容實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)，通過開關(guān)和電流鏡而的電容而不是外部電容實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)，通過開關(guān)和電

4、流鏡而不是電容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，并以電流而不是電壓的不是電容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，并以電流而不是電壓的形式將信號(hào)輸出。用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是適合形式將信號(hào)輸出。用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是適合于采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字于采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝進(jìn)行集成，生產(chǎn)同樣功能的電路工藝進(jìn)行集成，生產(chǎn)同樣功能的電路所需的芯片面積比開關(guān)電容電路更小。所需的芯片面積比開關(guān)電容電路更小。為什么要研究開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)為什么要研究開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò) 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)是適應(yīng)高質(zhì)量的集成濾波電路發(fā)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)是適應(yīng)高質(zhì)量的集成濾波電路發(fā)展的需求而產(chǎn)生的。早

5、期的濾波器都是用無源展的需求而產(chǎn)生的。早期的濾波器都是用無源RLC電路實(shí)現(xiàn)的，電路實(shí)現(xiàn)的，這種濾波器的濾波性能可以做得很好。但由于無源這種濾波器的濾波性能可以做得很好。但由于無源RLC濾波器中濾波器中的電感在體積、重量和線性等方面存在的問題，限制了無源濾波的電感在體積、重量和線性等方面存在的問題，限制了無源濾波器的使用范圍和進(jìn)一步的發(fā)展。器的使用范圍和進(jìn)一步的發(fā)展。 在在20世紀(jì)世紀(jì)60年代，隨著集成有源器件和集成運(yùn)算放大器的發(fā)展，年代，隨著集成有源器件和集成運(yùn)算放大器的發(fā)展，人們開始用有源器件取代人們開始用有源器件取代RLC濾波器中的電感，從而產(chǎn)生了有源濾波器中的電感，從而產(chǎn)生了有源RC濾波

6、器。濾波器。有源有源RC濾波器的出現(xiàn)是濾波器領(lǐng)域的一次革命性的濾波器的出現(xiàn)是濾波器領(lǐng)域的一次革命性的變化，使濾波器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。變化，使濾波器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。 由于有源由于有源RC濾波器在體積、重量和增益方面的明顯優(yōu)點(diǎn)，使它濾波器在體積、重量和增益方面的明顯優(yōu)點(diǎn)，使它的應(yīng)用范圍得到了很大的拓展。的應(yīng)用范圍得到了很大的拓展。特別重要的是，有源特別重要的是，有源RC濾波器的濾波器的基本原理和一些基本電路仍然是目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模集成基本原理和一些基本電路仍然是目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。電路的基礎(chǔ)。但是，有源但是，有源RC濾波器在集成實(shí)現(xiàn)時(shí)遇到很多問題，濾波器在集成實(shí)

7、現(xiàn)時(shí)遇到很多問題，主要是：主要是： 不便于用不便于用MOS工藝直接集成。工藝直接集成。有源有源RC濾波器可以用濾波器可以用混合集成技術(shù)集成，但這種技術(shù)與目前的主流集成技術(shù)不兼容。混合集成技術(shù)集成，但這種技術(shù)與目前的主流集成技術(shù)不兼容。目前的主流集成工藝是目前的主流集成工藝是MOS集成工藝。集成工藝。體積較大，需占用較大體積較大，需占用較大的芯片面積。在的芯片面積。在MOS工藝中，為了不占用過大的芯片面積，很少工藝中，為了不占用過大的芯片面積，很少能將能將MOS電容做到大于電容做到大于100pF。元件的精度不高。用元件的精度不高。用MOS工藝工藝集成電阻和電容時(shí)，都會(huì)有集成電阻和電容時(shí)，都會(huì)有5

8、10的誤差。的誤差。 為了克服有源為了克服有源RC濾波器存在的缺點(diǎn)，人們?cè)O(shè)法在濾波器存在的缺點(diǎn)，人們?cè)O(shè)法在MOS電路中電路中用開關(guān)和電容取代電阻。這就產(chǎn)生了開關(guān)電容電路。用開關(guān)和電容取代電阻。這就產(chǎn)生了開關(guān)電容電路。這種取代的這種取代的意義正如意義正如20世紀(jì)世紀(jì)60年代用有源器件取代電感一樣重要，它是電路年代用有源器件取代電感一樣重要，它是電路設(shè)計(jì)和制造中的又一次革命設(shè)計(jì)和制造中的又一次革命。用開關(guān)和電容取代電阻后，電路的。用開關(guān)和電容取代電阻后，電路的組成只有組成只有MOS開關(guān)、開關(guān)、MOS電容和電容和MOS運(yùn)放，電路的性能取決定運(yùn)放，電路的性能取決定于電容的比值。于電容的比值。 經(jīng)過多年

9、的發(fā)展，開關(guān)電容技術(shù)已經(jīng)成為一種很成熟的技經(jīng)過多年的發(fā)展，開關(guān)電容技術(shù)已經(jīng)成為一種很成熟的技術(shù)術(shù)，它在濾波器中的應(yīng)用已十分廣泛。開關(guān)電容濾波器具有很，它在濾波器中的應(yīng)用已十分廣泛。開關(guān)電容濾波器具有很精確的頻率響應(yīng)、好的線性和大的動(dòng)態(tài)范圍。這主要是因?yàn)殚_精確的頻率響應(yīng)、好的線性和大的動(dòng)態(tài)范圍。這主要是因?yàn)殚_關(guān)電容濾波器的精度是由電容的比值決定的，而集成電路中電關(guān)電容濾波器的精度是由電容的比值決定的，而集成電路中電容的比值可以做得非常精確。在穩(wěn)定的容的比值可以做得非常精確。在穩(wěn)定的MOS工藝條件下，雖工藝條件下，雖然電容仍有然電容仍有510的制造誤差，但電容比值的精度可以做的制造誤差，但電容比值

10、的精度可以做到到0.010.1。 用開關(guān)電容技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)大電阻。用開關(guān)和電容代用開關(guān)電容技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)大電阻。用開關(guān)和電容代替電阻以后，一個(gè)替電阻以后，一個(gè)10M的電阻可以用一個(gè)的電阻可以用一個(gè)0.1pF的電容和切換頻的電容和切換頻率為率為100kHz的開關(guān)代替。用的開關(guān)代替。用MOS工藝集成實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)等效電工藝集成實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)等效電阻，大約需要阻，大約需要0.01mm2的芯片面積。這大約是直接集成這樣一個(gè)的芯片面積。這大約是直接集成這樣一個(gè)電阻所需芯片面積的不到百分之一。開關(guān)電容濾波器不僅克服了電阻所需芯片面積的不到百分之一。開關(guān)電容濾波器不僅克服了有源有源RC濾波器不便直接

11、集成的主要缺點(diǎn)，同時(shí)還具有濾波器不便直接集成的主要缺點(diǎn)，同時(shí)還具有MOS電路電路的許多優(yōu)點(diǎn)。因而得到了極其廣泛的應(yīng)用。的許多優(yōu)點(diǎn)。因而得到了極其廣泛的應(yīng)用。 開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)除了具有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)以外，用這種技開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)除了具有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)以外，用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字術(shù)設(shè)計(jì)的電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝而不工藝而不是是MOS工藝進(jìn)行生產(chǎn)，而且同樣功能的開關(guān)電流電路所需的芯片工藝進(jìn)行生產(chǎn)，而且同樣功能的開關(guān)電流電路所需的芯片面積比開關(guān)電容電路更小，因而生產(chǎn)成本更低。面積比開關(guān)電容電路更小，因而生產(chǎn)成本更低。2 后向歐拉積分法后向歐拉積分法后向

12、歐拉公式)() 1(1) 1(nxnxhnx 1、為什么要使用后向歐拉積分法？ 通用電路分析軟件中開關(guān)用非理想模型表示，導(dǎo)通時(shí)有非零值電阻，斷開時(shí)有非零值電導(dǎo)。/使用傳統(tǒng)的積分法。 一般情況下，只要了解電路基本原，用理想模型表示開關(guān)，出現(xiàn)不連續(xù)初始條件及沖擊電流和電壓。使得對(duì)電路的分析困難。 線性開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以用數(shù)值拉普拉斯反變換分析。 非線性開關(guān)網(wǎng)絡(luò)使用后向歐拉積分法。) 1()() 1(nwnxhcnxhcGx3 求解沖擊函數(shù)系統(tǒng)求解沖擊函數(shù)系統(tǒng))(11)2()(11) 1(1) 1(1121nvnvhnvnvnvhnvhnnvininin4 4 不連續(xù)初始電流條件的網(wǎng)絡(luò)分析不連續(xù)初始電流條件的網(wǎng)絡(luò)分析一、后向歐拉公式)() 1(1) 1(nxnxhnx二、線性開關(guān)網(wǎng)絡(luò)01L111IL)(sIsLV換路后復(fù)頻域方程)(sIsLVL222)(sI)GV(VL2210(s)I(s)IL2L101L111IL)(sIsLV0)(sIsLVL2220)(sIGVGVL2210(s)I(s)IL2L1000IL(s)I(s)I(s)V(s)V110010GGsL