Рождается новое поколение аналоговой электроники

Кроме того, еще неясно, насколько окажется применимой к обычным аналоговым устройствам новейшая технология молекулярных приборов, а также приборов на базе углеродных нанотрубок и нанопроводников.

Новая архитектура аналоговых ИС

В Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology – MIT), США, группа исследователей под руководством профессора лаборатории технологии микросистем Хе-Сун Ли (Hae-Seung Lee) предложила новую методологию проектирования аналоговых цепей переключаемых конденсаторов. Новая методология основана на использовании компараторов – приборов, сравнивающих уровни двух аналоговых сигналов и сигнализирующих об их равенстве.

В новой архитектуре цепей, получившей название CBSC (comparator-based switched capacitor), исключается применение операционных усилителей – их функции выполняют компараторы уровней с источниками тока (рис.1).

Замечательным свойством этих цепей является малое потребление электроэнергии при сохранении всех выгод от применения цепей переключаемых конденсаторов на основе операционных усилителей. Поэтому представляется наиболее перспективным применение CBSC аналоговых цепей в портативных потребительских приборах, в частности, в качестве оцифровщиков аналоговых сигналов.

Суть нового подхода к построению аналоговых схем поясняется рисунками 1, 2 и 3, выполненными в концептуальной форме. CBSC схемы, как и все схемы с переключаемыми конденсаторами, работают по двухфазному циклу – фаза выборки «фи 1» и фаза передачи заряда «фи 2».

Первая фаза выборки текущего значения аналогового входного сигнала Vin осуществляется замыканием ключей управляющим импульсом (упрощенная схема выборки сигнала приведена на рис. 2).

Момент фиксации напряжения Vin на конденсаторах С1и С2 и соответствующего их емкости заряда производится размыканием зарядной цепочки по заднему фронту импульса «фи 1А». Это делается для того, чтобы минимизировать дополнительную инжекцию заряда, зависящую от входного сигнала.

Вторая фаза передачи заряда от одного конденсатора к другому начинается с реконфигурации параллельного соединения конденсаторов С1 и С2 в последовательную цепочку (рис. 3). Эта операция выполняется с помощью управляемых переключателей.

Затем производится установка начальных условий, в результате которой разряжается выходная емкость СL, а напряжение Vх «опускается» ниже уровня виртуальной «земли» Vcм. После этого включается источник зарядного тока Iх и начинается заряд емкостей С1, С2 и СL. Компаратор срабатывает при равенстве напряжений на его входах – Vх и Vcм.

К этому моменту завершается «перекачка» всего заряда из С2 в конденсатор С1, а за счет этого заряда на последнем создается добавочное напряжение, обратно пропорциональное их емкостям. Суммарное напряжение конденсатора С1 в качестве выходного напряжения Vо фиксируется на нагрузочной выходной емкости СL.