抽樣數(shù)據(jù)電路課件教材

1抽樣數(shù)據(jù)電路

Sampling-DataCircuits2§1概述

抽樣數(shù)據(jù)電路的基本特性、類型§3開關(guān)電流電路§2開關(guān)電容電路開關(guān)電容電路，分析方法抽樣數(shù)據(jù)電路的頻率響應(yīng)提綱3抽樣數(shù)據(jù)電路輸入抽樣信號(hào)輸出抽樣信號(hào)§1概述數(shù)字電路輸入數(shù)字信號(hào)輸出數(shù)字信號(hào)41，抽樣數(shù)據(jù)電路是處理抽樣信號(hào)（時(shí)間離散、幅度連續(xù)信號(hào)）的電路。由于抽樣信號(hào)是幅度連續(xù)信號(hào)，常將抽樣數(shù)據(jù)電路歸入模擬電路大類。2，只要滿足抽樣定理所規(guī)定的條件，抽樣數(shù)據(jù)信號(hào)可以無失真地復(fù)原抽樣前的模擬信號(hào)，所以用抽樣數(shù)據(jù)電路處理模擬信號(hào)時(shí)，只要電路特性理想，就不會(huì)產(chǎn)生失真。而數(shù)字信號(hào)是用有限個(gè)離散值逼近連續(xù)值，因而它不可能無失真地復(fù)原數(shù)字化前的模擬信號(hào)，增加字長(zhǎng)只能減小誤差，但不可能消除，所以用數(shù)字電路處理模擬信號(hào)，肯定會(huì)產(chǎn)生失真。3，因?yàn)槌闃訑?shù)據(jù)電路要處理時(shí)間離散的抽樣信號(hào)，所以電路中必含有存儲(chǔ)信號(hào)的元件和控制電路工作的時(shí)鐘，對(duì)存儲(chǔ)信號(hào)的精度和時(shí)鐘信號(hào)參量將影響電路性能。4，因?yàn)槌闃訑?shù)據(jù)電路的輸入和輸出都是抽樣信號(hào)，它們的頻譜按抽樣時(shí)鐘頻率的整倍數(shù)重復(fù)，所以抽樣數(shù)據(jù)電路的頻率特性也按抽樣時(shí)鐘頻率的整倍數(shù)重復(fù)。1-1基本特性5抽樣數(shù)據(jù)電路中使用的時(shí)鐘信號(hào)波形兩相不重疊時(shí)鐘兩相窄脈沖時(shí)鐘兩相沖激時(shí)鐘三相不重疊時(shí)鐘6抽樣數(shù)據(jù)濾波器頻率特性7三種信號(hào)和電路之間的聯(lián)系8

1)電荷耦合器件Charge-CoupledDevice(CCD)2)開關(guān)電容電路Switched-CapacitorCircuits(SC)3)開關(guān)電流電路Switched-CurrentCircuits(SI)

電荷耦合器件由于它只能按時(shí)鐘周期順序傳遞信號(hào)（串行存取方式），并且在信號(hào)傳遞過程中不可避免地產(chǎn)生信號(hào)的損失，因此其應(yīng)用范圍受到限制。它可以應(yīng)用在自掃描成象陣列，模擬橫向?yàn)V波器和數(shù)字存儲(chǔ)器等，最成功的應(yīng)用是自掃描成像陣列。開關(guān)電容和開關(guān)電流電路含有放大器、運(yùn)算放大器和跨導(dǎo)器等有源元件，可以避免信號(hào)在傳遞過程中的損失，便于靈活地構(gòu)成各種功能的電路，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電容和開關(guān)電流電路是集成電路工藝的進(jìn)步和電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它只能以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)。1-2抽樣數(shù)據(jù)電路的類型：9

開關(guān)電容電路是由受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)和電容器組成的電路。它是利用電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的各種處理功能。在實(shí)際電路中，有時(shí)僅用開關(guān)和電容器構(gòu)成的電路往往不滿足要求，所以多與放大器或運(yùn)算放大器、比較器等組合起來，以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的產(chǎn)生、變換與處理?！?開關(guān)電容電路10

利用開關(guān)電容電路來處理模擬信號(hào)在1972年首先提出，由于它具有的一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的重視，并加強(qiáng)了這方面的研究工作。1977年發(fā)表了采用NMOS工藝和開關(guān)電容技術(shù)的構(gòu)成的話路濾波器，1978年美國(guó)INTEL公司首先制成用于PCM電話系統(tǒng)的話路濾波器，從而進(jìn)入了實(shí)用階段。近年來，對(duì)開關(guān)電容的理論、分析方法和電路技術(shù)進(jìn)行了多方面的研究，進(jìn)一步拓展了開關(guān)電容電路技術(shù)在模擬信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

由于開關(guān)電容電路使用MOS工藝，尺寸小，功耗低，工藝過程比較簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模集成。因此得到了較快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?！?開關(guān)電容電路（續(xù)）112-1基本開關(guān)電容單元時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率12簡(jiǎn)單開關(guān)電容電路時(shí)間常數(shù)

=？132-2-1延時(shí)電路運(yùn)算放大器的作用：將電容器C1上存儲(chǔ)的電荷全部轉(zhuǎn)移到電容器C2上。nTC時(shí)刻（n+1/2)TC時(shí)刻142-2-2開關(guān)電容相加和乘系數(shù)電路152-2-3開關(guān)電容積分器克服寄生電容影響的開關(guān)電容積分器162-2-3開關(guān)電容積分器nTC時(shí)刻（n－1/2)TC時(shí)刻17當(dāng)電路中的變量是電壓和電流時(shí)，用KVL和KCL分析電路在開關(guān)電容電路中，電路中的變量是電壓和電荷，需要建立描述電路中電荷變化規(guī)律的關(guān)系式在開關(guān)電容電路中，輸出抽樣序列與輸入抽樣序列可以不在相同時(shí)刻，使用最多的是相差半個(gè)時(shí)鐘周期，需要建立這種情況下的頻率特性定義2-3開關(guān)電容電路分析方法viq

fR(v,i)=0fMR(q,

)=0fC(v,q)=0fL(i,

)=0電阻器電子管晶體管電容器電感器q=

idt

=

vdt記憶電阻構(gòu)成電子電路的元器件及其特性的表征182-3-1開關(guān)電容電路的時(shí)域分析1，電荷守恒原理

電荷守恒原理是指在開關(guān)電容電路中，用“閉合面”包圍各電容器一個(gè)極板的集合，只要閉合面內(nèi)沒有存儲(chǔ)電荷的元件，并且沒有導(dǎo)電路徑穿過這個(gè)“閉合面”，那么閉合面內(nèi)所有電容器極板上所存儲(chǔ)的總電荷就不會(huì)發(fā)生變化，并且與整個(gè)電路中開關(guān)的閉合和斷開以及電容器上的電壓因任何原因而發(fā)生的變化無關(guān)。

這里用電容器一個(gè)極板的集合而不用電容器的集合是因?yàn)橹挥性陔娙萜鞯臉O板上存儲(chǔ)電荷，而一個(gè)電容器兩個(gè)極板所存儲(chǔ)的凈電荷為0，因此閉合面總是穿過每個(gè)電容器的兩個(gè)極板的中間，只將電容器的一個(gè)極板包含在里面。

利用電荷守恒原理和KVL，就可以分析在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)開關(guān)電容電路中的電容器上電壓的變化，從而分析整個(gè)電路的工作過程。

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圖中包含了三個(gè)電容器，C1兩端的電壓為V1，它的一個(gè)極板上存儲(chǔ)有正電荷+q1，另一極板上則存儲(chǔ)有負(fù)電荷-q1。類似地，C2的兩個(gè)極板上分別存儲(chǔ)有正負(fù)電荷，其電荷量為

q2=

C2V2。C3的兩個(gè)極板上存有電荷

q3=

C3V3。閉合面SC內(nèi)的總電荷為+q1+q3-q2，反映了閉合面內(nèi)存儲(chǔ)的電荷量。在閉合面SC內(nèi)，盡管存在開關(guān)、電阻和電壓源，但都不能存儲(chǔ)電荷，即內(nèi)部沒有存儲(chǔ)電荷的元件。同時(shí)，也沒有導(dǎo)電路徑穿過閉合面，所以不管開關(guān)S1和S2

是否閉合，不管R1、R2、R3和VE的大小，也不管V1、V2和V3是否變化，閉合面SC內(nèi)的總電荷量保持不變。

20在(n-1/2)TC時(shí)刻，開關(guān)S1斷開、S2閉合，利用電荷守恒原理和KVL計(jì)算電容器上電壓，選擇閉合面為SC，可得：

時(shí)間上標(biāo)“＋”表示開關(guān)閉合后電容器上的電壓值，時(shí)間上標(biāo)“－”表示開關(guān)閉合前電容器上的電壓值。

根據(jù)KVL，可得

可得該時(shí)刻電容器C2上的電壓為假定

從(n-1/2)TC到nTC區(qū)間，電容器C1和C2上的電壓均保持[(n-1/2)TC]+

時(shí)刻的值。從(n-1)TC到(n-1/2)TC時(shí)區(qū)間，電容器C1兩端電壓隨輸入電壓變化，電容器C2兩端電壓為零；2，時(shí)域分析舉例21

以上為電路完成了一個(gè)時(shí)鐘周期的工作過程，此后在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都將重復(fù)上述工作過程，只是電容器上電壓的數(shù)值將不斷變化。表示成電路的輸出－輸入方程一般形式為

因?yàn)?/p>

可得一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出與輸入電壓的關(guān)系

此電路的輸出序列和輸入序列的存在時(shí)刻不重合，相差半個(gè)時(shí)鐘周期222-3-2開關(guān)電容電路的頻域分析

在抽樣數(shù)據(jù)電路中，存在輸入序列的取值時(shí)刻和輸出序列的取值時(shí)刻不相同的工作狀態(tài)。在使用兩相時(shí)鐘時(shí)，有兩種情況：一種是輸出和輸入序列均在相同時(shí)刻取值，一種是輸出和輸入序列取值差1/2時(shí)鐘周期。對(duì)前一種情況，輸出－輸入關(guān)系是一般的差分方程，可以用z變換的方法從時(shí)域方程求得電路的頻域響應(yīng)。對(duì)后一種情況則需要尋求更一般化的分析離散時(shí)間電路頻域響應(yīng)的方法。

對(duì)于線性電路，當(dāng)輸入信號(hào)是一正弦函數(shù)信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)仍為一正弦函數(shù)信號(hào)，只是幅度和相角與輸入信號(hào)不同。對(duì)輸出與輸入信號(hào)取樣時(shí)刻不同的線性抽樣數(shù)據(jù)電路，仍然可以采用輸入不同頻率的正弦信號(hào)，用輸出正弦信號(hào)幅度和相位的變化確定頻率特性，但輸入和輸出正弦信號(hào)分別是由輸入和輸出序列確定的。23

圖(a)表示輸入信號(hào)序列，

i表示它與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻之間的延時(shí)，虛線表示由該序列所確定的正弦信號(hào)；圖(b)表示輸出信號(hào)序列，

o表示它與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻之間的延時(shí)，虛線表示由該序列所確定的正弦信號(hào)；圖(c)表示輸出序列展寬

b后的輸出信號(hào)波形。

24離散頻率響應(yīng)定義為兩者幅度的比值和相位的差，表示為由于這兩個(gè)正弦信號(hào)是由兩個(gè)抽樣信號(hào)決定的，所以它必然與和有關(guān)，這就反映了離散時(shí)間的特性。

為計(jì)算離散頻率響應(yīng)，輸入試樣信號(hào)

對(duì)于一個(gè)確定的頻率

0，若已知?jiǎng)t開關(guān)電容電路的輸入和輸出分別為：在固定頻率下它們是一對(duì)時(shí)域信號(hào)25例如一個(gè)抽樣數(shù)據(jù)電路的離散時(shí)間輸入-輸出方程為：

在某個(gè)角頻率

0處的離散頻率響應(yīng)為：

由于電路表達(dá)式中沒有隨頻率變化的元件，在觀察頻率范圍內(nèi)改變角頻率即可得到所需的頻率響應(yīng)

26S3在nTC時(shí)刻閉合S3在(n-1/2)TC時(shí)刻閉合S3在nTC時(shí)刻閉合時(shí)的傳輸函數(shù)27S3在(n-TC

/2)時(shí)刻閉合時(shí)的傳輸函數(shù)差分方程為利用離散頻率響應(yīng)分析方法

電路相同，僅輸出信號(hào)取出時(shí)刻不同將導(dǎo)致電路特性的不同，這是抽樣數(shù)據(jù)電路設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要問題。28改變控制開關(guān)時(shí)鐘的相位和輸入端口可以改變積分器特性29§3開關(guān)電流電路

開關(guān)電流電路是由受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)和MOSFET組成的電路，利用MOSFET柵-源電容對(duì)柵-源電壓的保持作用實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，從而完成各種電路功能。開關(guān)電流技術(shù)是80年代末期提出的，它使用與數(shù)字電路兼容的MOS工藝，適于低電源電壓工作，具有良好的線性工作特性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為抽樣數(shù)據(jù)電路的一個(gè)重要分支。

開關(guān)電流電路中，表征信號(hào)的變量是電流和電壓，用KVL和KCL分析。30

開關(guān)電流電路由受時(shí)鐘控制的開關(guān)、電流鏡電路構(gòu)成，利用MOSFET柵－源電容的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，完成對(duì)輸入電流信號(hào)的處理。

動(dòng)態(tài)電流鏡電路基本開關(guān)電流電路MOSFET的特點(diǎn)是加在柵－源之間的VGS無需柵極電流就可以控制漏極電流,正是利用了這種特性,把需要處理的模擬信號(hào)儲(chǔ)存的柵極電容上,利用這種方法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電流鏡的功能。313-1開關(guān)電流電路延時(shí)電路(n-1)TC時(shí)刻，S1閉合，S2斷開(n-1/2)TC時(shí)刻，S2閉合，S1斷開因柵－源電容的保持作用，可得實(shí)現(xiàn)半個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)并反相32開關(guān)電流電路延時(shí)電路33

在相時(shí)鐘控制的開關(guān)S1閉合期間，節(jié)點(diǎn)A為一低阻抗節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)阻抗為

zA=gm+1/jCgs

在該節(jié)點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)電流的相加，所以電流iD為所有進(jìn)入節(jié)點(diǎn)A的電流之和

iD=ii1+ii2+I0

在相時(shí)鐘控制的開關(guān)S2閉合期間，輸出電流為3-2開關(guān)電流相加電路34開關(guān)電流電路用改變MOSFET的寬長(zhǎng)比實(shí)現(xiàn)乘系數(shù)3-3開關(guān)電流乘系數(shù)電路35同相無損開關(guān)電流積分電路nTC時(shí)刻，S1

、S2閉合，S3

、S4斷開（n－1/2）TC時(shí)刻，S1

、S2斷開，S3

、S4閉合3-4開關(guān)電流積分電路36輸入信號(hào)為分段常數(shù)信號(hào)（抽樣數(shù)據(jù)電路的輸出）37反相有損開關(guān)電流積分電路38任何時(shí)間均滿足的關(guān)系式39同相無損開關(guān)電流積分電路2將輸出電流反饋到輸入求和結(jié)點(diǎn)的延遲單元3-4開關(guān)電流積分電路(a)具有反饋的延遲單元 (b)簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)40開關(guān)電容電路和開關(guān)電流電路的比較1，電路構(gòu)成開關(guān)電容電路是由電容器，受時(shí)鐘控制