模擬MOS集成電路在信號處理中的應用基本特征

電信號處理器一般分為兩類：模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)以電壓、電流，電荷等形式傳遞信號，它們是連續(xù)時間變量的連續(xù)函數(shù)。音頻放大器、無源或有源RC濾波器等是模擬信號處理器的一些典型例子。MOS集成電路在信號處理中的應用。相反，在數(shù)字系統(tǒng)中，每一信號用一系列數(shù)表示，因為這些數(shù)只能包含有限數(shù)目的數(shù)字(典型的是以二進制數(shù)孛或比特形式的編碼)，它們只能取離散值。而且，這些數(shù)是在離散時間上取得的信號的抽樣值。故而，數(shù)字信號的自變量與因變量均為離散量。因為數(shù)字比特的處理常常是同步進行，所以定時或時鐘電路是數(shù)字系統(tǒng)的重要部分。MOS集成電路在信號處理中的應用。時鐘電路提供一個或更多的時鐘信號，每個時鐘信號都包含有精確的定時脈沖，使系統(tǒng)各組成部分的工作同步或運行。數(shù)字系統(tǒng)的典型例子是通用數(shù)字計算機，或專用的計算機，例如專用于用快速傅里葉變換(FFT)計算信號的傅里葉變換，或用于語言分析的數(shù)字濾波器等的計算機。

討論的大部分電路是介于上述兩種主要類型之間，屬于抽樣數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)類。對于這樣的系統(tǒng)，像模擬系統(tǒng)一樣，信號是用未編碼的電量(通常是用電壓)振幅來表示。然而，此系統(tǒng)包含一個時鐘，如在數(shù)字系統(tǒng)一樣，信號振幅只在離散的時間瞬刻被測出。在研制本書所討論的MOS電路之前，最重要的抽樣數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)是電荷轉移器件，如電荷耦合器件(CCD)與斗鏈式器件(BBD)。MOS集成電路在信號處理中的應用。在這些器件里，信號振幅是用從元件到元件轉移的電荷量來表示的。除了極少數(shù)例外，這些器件不包含反饋回路，它們本質上是非遞歸的，所以它們更適于那些不需要準確地控制極點和零點的器件(對比一般頻率選擇濾波器來說)，例如抽樣數(shù)據(jù)遲延線、復用器、相關器等這類的應用。此外，它們需要特殊的制造技術，而不是制造數(shù)字MOS電路的標準MOS工藝，并且通常需要某種特殊的外部(輸入與輸出)電路。因這些原因，它們的用途限于比較少數(shù)的大公司，在那里，所需要的特殊設計基礎與技術都能得到發(fā)展與維持。

相反，本書所研討的電路能夠采用標準數(shù)字MOS技術來制造，因而能與數(shù)字電路放在同一芯片上。這后一點非常重要，例如，在現(xiàn)代電信系統(tǒng)里，常常需要在同一功能塊里同時具有模擬與數(shù)字功能。MOS集成電路在信號處理中的應用。又這些電路只包含少數(shù)標準的構成塊：放大器、開關、電容器和偶爾包含電阻器。一旦這些構成塊研制出來，并在局部現(xiàn)有技術方面標準化了，那么，只要用略微不同的結構或不同的大小就能適應大量的應用。

要了解模擬MOS電路最常用結構的基本概念，可設簡單的模擬傳遞函數(shù)為：

很容易證實圖1.1(a)的RLC電路能實現(xiàn)這一函數(shù)。雖然這個電路容易設計，制造與測試，但在電路中出現(xiàn)的電感器使得它不能以集成形式來制造。事實上，對于低頻應用，此電路有可能需要數(shù)值很大從而體積龐大的電感器與電容器。為了解決這個問題，設計者可以決定采用有源RC電路來實現(xiàn)所需要的傳遞函數(shù)?？梢院苋?span style="font-size: 16px; text-indent: 2em;">易地證明，采用三個運算放大器的圖1.1(b)電路就能夠提供式(1.1)表明的傳遞函數(shù)。以電路不需要電感器，可以用小型的分立元件實現(xiàn)很多的不同要求。然而，結果表明雖然原則上可以把這種電路集成在一個MOS單片上(因為所需放大器、電阻器與電容器都能被集成)，但集成時仍有一些主要的實際阻礙。這些阻礙包括RC元件需要極大芯片面積，同時這些元件需要嚴格的準確度和穩(wěn)定度。這些要求不能很容易地由集成元件來滿足，因為電阻與電容元件的制造值以及溫度引起的變動都不互相協(xié)調。對大多數(shù)應用來說，這樣產生的零一極點的變動都太大了。

    一個能同時解決面積與匹配問題的有效措施就是用一個電容器和幾個開關的組合起來代替電路中的各個電阻器。參看圖1.2所示的支路。圖中，四個開關S1、S2、與S4以遠快于終端電壓υA與υB變動的速率周期地打開和關閉。開關S1與S4彼此同步工作，但與S2和S3反相。這樣，當S2與S3關閉時，S1與S4打開，或者反過來。當S2與S3關閉時，C放電。下一步是S2與S3打開，而S1與S4關閉，C重新被充電到電壓υC=υA-υB。這就使得電荷q=c（υA-υB）流經圖1.2的支路，然后，C又一次被S2與S3放電。如果這樣循環(huán)每T秒重復一次(T是開關周期或時鐘周期)，則流經支路的平均電流為

    故iaυ與支路電壓(υA-υB)成比例。相仿，對于一個包含電阻器R的支路，得支路電流為。所以，如果掌握好關系式則流經這兩個支路的平均電流是相同的。

所以可以說，能用圖1.2支路來代替圖1.1(b)電路中的所有電阻器。所得結果示于圖1.3。在此電路內，屬于不同“電阻器”但起同一作用的開關已經合并。此外，圖1.1(b)中的第二個運放(op—amp)僅僅作為倒相器用，已被取消，這是可以的，因為只要改變與電容器C₃相連的兩個開關的相位，沒有這個運放也可以完成所需要的倒相。從圖1.1(b)的電路變換到圖1.3電路的細節(jié)在第五章5.4節(jié)討論。

圖1.3說明，變換后的電路只包含電容器開關與運放。新電路的主要優(yōu)點是，所有時間常數(shù)由過去難以控制的RC乘積決定改為用形式表示。這里，時鐘周期T一般由石英晶體形式表示。這里，時鐘周期T一般由石英晶體控制的時鐘電路來確定，因此是很準確與穩(wěn)定的。MOS集成電路在信號處理中的應用。時間常數(shù)中的另一個因式是，也就是片內兩個MOS電容的比值。在設計這些元件時，運用一些簡單規(guī)則(在3.5節(jié)敘述)，就可能使這個比值得到數(shù)量級為0.1％的準確度與穩(wěn)定度。所得總的準確度比起用一片內電阻器與電容器作RC時間常數(shù)能達到的準確度至少要好一百倍。

無源元件所需的面積也達到了驚人的改進。為了達到在音頻段(例如10krad/s)內的時間常數(shù)，甚至于在用了一個大電容器(10pF)后，還需要一個10MΩ的電阻。這樣一個電阻器將占約10⁶μm²的面積，這是非常大的，約占一個平常芯片的10％面積。相反，用10μs的周期，實現(xiàn)一個10MΩ電阻器的開關電容電路中的電容為。為實現(xiàn)這個電容所需面積約為2500μm²，僅為它所代替的電阻器所需面積的0.25％。

用圖1.3所示的三種元件(運放、電容器與開關)，大量的信號處理電路能夠放在單一芯片上。一個高質量的運放能夠在5*10⁴到10⁵μm²面積上制成，而一個開關一般只需約50μm²的面積。因為一個大芯片的面積約為5*10⁷μm²，這樣的芯片能容納約100個運放，300個電容器及500個開關。MOS集成電路在信號處理中的應用。從能實現(xiàn)式(1.1)二階傳遞函數(shù)的圖1.3電路推出，這樣的芯片的信號處理能力足以能實現(xiàn)總階次為100的傳遞函數(shù)。事實上，由于低頻時運放能夠時分(多路復用)，還可以實現(xiàn)更高階的函數(shù)：最近提出了一個語言分析器芯片⁵，它除了實現(xiàn)大量的片內數(shù)字電路以外，還實現(xiàn)了總共具有308個極點的開關電容濾波器! 

除去為頻率選擇濾波已廣泛應用的圖1.3介紹的開關電容(SC)電路外，這樣的電路還能有許多其它功能。其中包含模數(shù)(A／D)與數(shù)模(D／A)的數(shù)據(jù)變換；為自動增益控制(AGC)及其它應用的可編程增益放大；以及一些非線性運用，如乘法、調制、檢波、整流、零交叉檢測等等。MOS集成電路在信號處理中的應用。它們也廣泛地被用于大的混合模擬一數(shù)字系統(tǒng)，如編譯碼器、調解器與語言處理器。由于元件、特別是運放的質量(帶寬、動態(tài)范圍等)的改進，以及引入更好的電路技術，可以期待應用范圍將進一步擴大。

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