片上系統(tǒng)(SoC)中的電路集成推動(dòng)了當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，人們希望將復(fù)雜而靈活(可編程且可配置的)的模擬、數(shù)字和處理引擎整合到一個(gè)芯片上。這個(gè)趨勢(shì)使得SOC和MCU集成了各種復(fù)雜和高級(jí)的模擬功能。這些靈活的模擬電路不僅能讓我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)配置各個(gè)模塊，而且還能在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地重新配置模塊功能本身。此類多用途模擬功能可通過(guò)使用通用開(kāi)關(guān)電容(SC)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代SoC及MCU內(nèi)置的一些模擬邏輯實(shí)現(xiàn)。本文將闡述我們?nèi)绾问褂肧C網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種模擬功能，以及它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的實(shí)際用途。除此之外，本文還將闡述SC模擬模塊的原理和應(yīng)用它的功能包括△Σ調(diào)-制、混頻器、濾波器、積分器、加法器、減法器、DAC、可編程增益放大器、比較器、采樣保持器等等。

智能模擬

模擬電路生態(tài)系統(tǒng)需要電阻器、電容以及運(yùn)算放大器、緩沖器、比較器、基本模擬邏輯等其它模擬模塊。由于在集成電路上制造電容更加簡(jiǎn)便劃算，從而衍生了使用開(kāi)關(guān)電容模擬電阻器的技術(shù)。這些開(kāi)關(guān)電容以開(kāi)關(guān)的精確定時(shí)控制電容之間的電荷轉(zhuǎn)移(參見(jiàn)圖1)。內(nèi)置時(shí)鐘/定時(shí)控制使得模擬功能發(fā)生實(shí)時(shí)變化。這些模塊有時(shí)被稱為通用模擬模塊(UAB)。

圖1: 通用模擬模塊(UAB)

UAB由兩個(gè)完全對(duì)稱的半電路構(gòu)成，可配置為一個(gè)偽差分或兩個(gè)單端功能。 每個(gè)半電路配有用于自主操作的控制邏輯。 圖2顯示了簡(jiǎn)化的UAB圖。 UAB具有高度靈活的轉(zhuǎn)換和連續(xù)路由架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器等復(fù)雜的模擬功能。

圖2：簡(jiǎn)化的UAB

電荷轉(zhuǎn)移原理

電荷轉(zhuǎn)移指的是電壓節(jié)點(diǎn)之間的電荷受控移動(dòng)。圖3 顯示了電阻器和開(kāi)關(guān)電容中的電荷轉(zhuǎn)移。

圖3：簡(jiǎn)化的UAB

在電阻器中，電流(i)由電阻(R)兩端的電位差形成。電流從一個(gè)電壓電位(V) 通過(guò)電阻R流向地電位。遵從以下等式:

i = V / R

在開(kāi)關(guān)電容中，電流 (i)是由高電位節(jié)點(diǎn)對(duì)電容(C)充電并向低電位節(jié)點(diǎn)放電形成的。當(dāng)Φ1開(kāi)關(guān)閉合且Φ2 s開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電容C滿電。所存儲(chǔ)的電荷為：q=CV

當(dāng)Φ1開(kāi)關(guān)打開(kāi)且Φ2開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，所存儲(chǔ)的所有電荷移動(dòng)到接地節(jié)點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)移動(dòng)一定量的電荷。如果開(kāi)關(guān)的控制頻率為fs，則電荷量也以該頻率移動(dòng)。電荷的重復(fù)移動(dòng)產(chǎn)生電流，遵從以下等式：

i = q/t = fsq = fsCV

與電阻器不同，開(kāi)關(guān)電容中的電流不是連續(xù)移動(dòng)的。通過(guò)對(duì)比以上兩個(gè)電流等式，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果它們有相同的壓降電流比，其就等效于電阻器。因此，我們可以使用并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容串聯(lián)電阻器。

V/i = R = 1/fsC

等效電阻與開(kāi)關(guān)頻率和電容成反比。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率可以容易地改變電阻器的相對(duì)值。較高的C值意味著較大的電流和較小的等效電阻。與此類似，較高的開(kāi)關(guān)頻率 (fs) 意味著較大的電流和較小的等效電阻。 Φ1和 Φ2開(kāi)關(guān)必需滿足時(shí)序要求才能產(chǎn)生上述結(jié)果，其中包括：

1) 不要同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)開(kāi)關(guān);

2) 在關(guān)閉某個(gè)開(kāi)關(guān)之前，先打開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān);

3) 選擇最大的開(kāi)關(guān)頻率，以便讓C在周期內(nèi)得到完全充放電。

這種開(kāi)關(guān)電容與運(yùn)算放大器和比較器一起形成UAB。 這樣開(kāi)發(fā)者就能夠整合多種模擬功能。 本文就解釋了一個(gè)這樣的模擬特性-VDAC。

VDAC Implementation VDAC的實(shí)現(xiàn)：

VDAC是數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，它將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)等效模擬電壓。VDAC位于眾多控制系統(tǒng)的核心，決定了系統(tǒng)的性能和精度。VDAC輸出電壓的精度最終取決于其參考電壓。VDAC有很多應(yīng)用，例如可編程電壓發(fā)生器，提供傳感器偏置和補(bǔ)償電壓、比較器參考電壓或動(dòng)態(tài)輸出波形。

VDAC電路的UAB開(kāi)關(guān)電容拓?fù)淙鐖D3所示。由于開(kāi)關(guān)電容模塊的離散時(shí)間屬性，開(kāi)關(guān)電容會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和緩沖以獲得連續(xù)輸出。 該模塊支持在MCU的工作和睡眠模式下工作。

這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為VDAC功能帶來(lái)了靈活性。動(dòng)態(tài)Vout范圍由一端的Vref值和另一端的Vagnd值決定。這可以讓用戶通過(guò)外部電路提供Vref和Vagnd來(lái)設(shè)置動(dòng)態(tài)Vout范圍。此外，增益設(shè)置可將輸出范圍選為Vagnd+ Vref、Vagnd+ 2Vref或Vagnd+ 4Vref，從而保證Vssa和Vdda之間的全范圍可行。此VDAC帶有一個(gè)13位的輸入端，其輸入范圍由- 4096到+4095。 這些值可以直接寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器以生效。

圖4：基于開(kāi)關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VDAC

模擬協(xié)處理器中的VDAC還支持乘法模式，在該模式下， VDAC輸出電壓乘以模擬輸入信號(hào)，形成一個(gè)乘積輸出。乘法DAC(MDAC)是固定參考應(yīng)用的理想模塊，在此類應(yīng)用中，用戶希望從固定直流電壓生成波形。此外，這些MDAC還適合那些用戶希望數(shù)字化轉(zhuǎn)換AC或任意參考電壓的各類參考應(yīng)用。

VDAC IDE 配置：

盡管MCU提供極高的靈活性和可編程性，開(kāi)發(fā)人員還是擔(dān)心為了適應(yīng)他們的應(yīng)用設(shè)計(jì)，還需要諸多的配置寄存器和調(diào)整模塊工作。PSoC Creator工具支持模擬協(xié)處理器，可讓用戶方便地配置這些功能。PSoC Creator是一個(gè)免費(fèi)的基于Windows的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，能夠?qū)崿F(xiàn)并行硬件和固件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該工具的設(shè)計(jì)環(huán)境類似于樂(lè)高積木，用戶可以通過(guò)雙擊組件將它們放置在電路圖上，并配置它們的功能。圖4顯示了PSoC Creator中的VDAC組件配置工具，這些工具可以縮短設(shè)計(jì)周期。

圖5：PSoC Creator中的VDAC組件配置工具