模擬MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用基本特征

電信號(hào)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(hào)，它們是連續(xù)時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)。音頻放大器、無(wú)源或有源RC濾波器等是模擬信號(hào)處理器的一些典型例子。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。相反，在數(shù)字系統(tǒng)中，每一信號(hào)用一系列數(shù)表示，因?yàn)檫@些數(shù)只能包含有限數(shù)目的數(shù)字(典型的是以二進(jìn)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(shí)間上取得的信號(hào)的抽樣值。故而，數(shù)字信號(hào)的自變量與因變量均為離散量。因?yàn)閿?shù)字比特的處理常常是同步進(jìn)行，所以定時(shí)或時(shí)鐘電路是數(shù)字系統(tǒng)的重要部分。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。時(shí)鐘電路提供一個(gè)或更多的時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)都包含有精確的定時(shí)脈沖，使系統(tǒng)各組成部分的工作同步或運(yùn)行。數(shù)字系統(tǒng)的典型例子是通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，或?qū)Ｓ玫挠?jì)算機(jī)，例如專用于用快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算信號(hào)的傅里葉變換，或用于語(yǔ)言分析的數(shù)字濾波器等的計(jì)算機(jī)。

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(duì)于這樣的系統(tǒng)，像模擬系統(tǒng)一樣，信號(hào)是用未編碼的電量(通常是用電壓)振幅來(lái)表示。然而，此系統(tǒng)包含一個(gè)時(shí)鐘，如在數(shù)字系統(tǒng)一樣，信號(hào)振幅只在離散的時(shí)間瞬刻被測(cè)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(zhuǎn)移器件，如電荷耦合器件(CCD)與斗鏈?zhǔn)狡骷?BBD)。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。在這些器件里，信號(hào)振幅是用從元件到元件轉(zhuǎn)移的電荷量來(lái)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(zhì)上是非遞歸的，所以它們更適于那些不需要準(zhǔn)確地控制極點(diǎn)和零點(diǎn)的器件(對(duì)比一般頻率選擇濾波器來(lái)說(shuō))，例如抽樣數(shù)據(jù)遲延線、復(fù)用器、相關(guān)器等這類的應(yīng)用。此外，它們需要特殊的制造技術(shù)，而不是制造數(shù)字MOS電路的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)與技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字MOS技術(shù)來(lái)制造，因而能與數(shù)字電路放在同一芯片上。這后一點(diǎn)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(shí)具有模擬與數(shù)字功能。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。又這些電路只包含少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成塊：放大器、開(kāi)關(guān)、電容器和偶爾包含電阻器。一旦這些構(gòu)成塊研制出來(lái)，并在局部現(xiàn)有技術(shù)方面標(biāo)準(zhǔn)化了，那么，只要用略微不同的結(jié)構(gòu)或不同的大小就能適應(yīng)大量的應(yīng)用。

要了解模擬MOS電路最常用結(jié)構(gòu)的基本概念，可設(shè)簡(jiǎn)單的模擬傳遞函數(shù)為：

很容易證實(shí)圖1.1(a)的RLC電路能實(shí)現(xiàn)這一函數(shù)。雖然這個(gè)電路容易設(shè)計(jì)，制造與測(cè)試，但在電路中出現(xiàn)的電感器使得它不能以集成形式來(lái)制造。事實(shí)上，對(duì)于低頻應(yīng)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(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可以決定采用有源RC電路來(lái)實(shí)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(gè)運(yùn)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(shí)現(xiàn)很多的不同要求。然而，結(jié)果表明雖然原則上可以把這種電路集成在一個(gè)MOS單片上(因?yàn)樗璺糯笃鳌㈦娮杵髋c電容器都能被集成)，但集成時(shí)仍有一些主要的實(shí)際阻礙。這些阻礙包括RC元件需要極大芯片面積，同時(shí)這些元件需要嚴(yán)格的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。這些要求不能很容易地由集成元件來(lái)滿足，因?yàn)殡娮枧c電容元件的制造值以及溫度引起的變動(dòng)都不互相協(xié)調(diào)。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這樣產(chǎn)生的零一極點(diǎn)的變動(dòng)都太大了。

    一個(gè)能同時(shí)解決面積與匹配問(wèn)題的有效措施就是用一個(gè)電容器和幾個(gè)開(kāi)關(guān)的組合起來(lái)代替電路中的各個(gè)電阻器。參看圖1.2所示的支路。圖中，四個(gè)開(kāi)關(guān)S1、S2、與S4以遠(yuǎn)快于終端電壓υA與υB變動(dòng)的速率周期地打開(kāi)和關(guān)閉。開(kāi)關(guān)S1與S4彼此同步工作，但與S2和S3反相。這樣，當(dāng)S2與S3關(guān)閉時(shí)，S1與S4打開(kāi)，或者反過(guò)來(lái)。當(dāng)S2與S3關(guān)閉時(shí)，C放電。下一步是S2與S3打開(kāi)，而S1與S4關(guān)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(jīng)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(fù)一次(T是開(kāi)關(guān)周期或時(shí)鐘周期)，則流經(jīng)支路的平均電流為

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

所以可以說(shuō)，能用圖1.2支路來(lái)代替圖1.1(b)電路中的所有電阻器。所得結(jié)果示于圖1.3。在此電路內(nèi)，屬于不同“電阻器”但起同一作用的開(kāi)關(guān)已經(jīng)合并。此外，圖1.1(b)中的第二個(gè)運(yùn)放(op—amp)僅僅作為倒相器用，已被取消，這是可以的，因?yàn)橹灰淖兣c電容器C₃相連的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的相位，沒(méi)有這個(gè)運(yùn)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(xì)節(jié)在第五章5.4節(jié)討論。

圖1.3說(shuō)明，變換后的電路只包含電容器開(kāi)關(guān)與運(yùn)放。新電路的主要優(yōu)點(diǎn)是，所有時(shí)間常數(shù)由過(guò)去難以控制的RC乘積決定改為用形式表示。這里，時(shí)鐘周期T一般由石英晶體形式表示。這里，時(shí)鐘周期T一般由石英晶體控制的時(shí)鐘電路來(lái)確定，因此是很準(zhǔn)確與穩(wěn)定的。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。時(shí)間常數(shù)中的另一個(gè)因式是，也就是片內(nèi)兩個(gè)MOS電容的比值。在設(shè)計(jì)這些元件時(shí)，運(yùn)用一些簡(jiǎn)單規(guī)則(在3.5節(jié)敘述)，就可能使這個(gè)比值得到數(shù)量級(jí)為0.1％的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。所得總的準(zhǔn)確度比起用一片內(nèi)電阻器與電容器作RC時(shí)間常數(shù)能達(dá)到的準(zhǔn)確度至少要好一百倍。

無(wú)源元件所需的面積也達(dá)到了驚人的改進(jìn)。為了達(dá)到在音頻段(例如10krad/s)內(nèi)的時(shí)間常數(shù)，甚至于在用了一個(gè)大電容器(10pF)后，還需要一個(gè)10MΩ的電阻。這樣一個(gè)電阻器將占約10⁶μm²的面積，這是非常大的，約占一個(gè)平常芯片的10％面積。相反，用10μs的周期，實(shí)現(xiàn)一個(gè)10MΩ電阻器的開(kāi)關(guān)電容電路中的電容為。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(yùn)放、電容器與開(kāi)關(guān))，大量的信號(hào)處理電路能夠放在單一芯片上。一個(gè)高質(zhì)量的運(yùn)放能夠在5*10⁴到10⁵μm²面積上制成，而一個(gè)開(kāi)關(guān)一般只需約50μm²的面積。因?yàn)橐粋€(gè)大芯片的面積約為5*10⁷μm²，這樣的芯片能容納約100個(gè)運(yùn)放，300個(gè)電容器及500個(gè)開(kāi)關(guān)。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)用。從能實(shí)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(hào)處理能力足以能實(shí)現(xiàn)總階次為100的傳遞函數(shù)。事實(shí)上，由于低頻時(shí)運(yùn)放能夠時(shí)分(多路復(fù)用)，還可以實(shí)現(xiàn)更高階的函數(shù)：最近提出了一個(gè)語(yǔ)言分析器芯片⁵，它除了實(shí)現(xiàn)大量的片內(nèi)數(shù)字電路以外，還實(shí)現(xiàn)了總共具有308個(gè)極點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電容濾波器! 

除去為頻率選擇濾波已廣泛應(yīng)用的圖1.3介紹的開(kāi)關(guān)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(dòng)增益控制(AGC)及其它應(yīng)用的可編程增益放大；以及一些非線性運(yùn)用，如乘法、調(diào)制、檢波、整流、零交叉檢測(cè)等等。MOS集成電路在信號(hào)處理中的應(yīng)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(diào)解器與語(yǔ)言處理器。由于元件、特別是運(yùn)放的質(zhì)量(帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等)的改進(jìn)，以及引入更好的電路技術(shù)，可以期待應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

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