1、第 1 页 共 35 页微功耗电容开关设计摘 要：随着计算机和大规模集成电路技术的发展，诸多新型电子器件不断出现，其中电容式开关及其选频网络是其中一个重要分支。本设计中采用了 RC 振荡电路，延时电路，CD406O，MAX894 等芯片的组合，在其它外围电路的连接配合下，通过更换本设计电路中的固定电容 C1 的值和通过重力作用改变 C2 的值，用示波器来测试 1，2 两个测试点的输出。最后观察示波器输出波形，看是否满足 RC 振荡电路起振和 CD4060 计数器在起振后规定的时间内输出方波这两个试验成功的前提条件。此次设计中采用的低功耗电容式重力开关设计方法在理论上可以检测到任何物体，大大加强
2、了其适用范围，是不同于普通电容开关的新型设计方法，可以广泛的应用到国防、工、农业生产，从而提高工作的准确性和生产效率。关键词：集成电路，电容开关，选频网络第 2 页 共 35 页The design of micro-power capacitor switchAbstract：With the development of computer and large-scale integrated circuit technology, many new electronic devices emerging, and the capacitive switches and network-el
3、ection are one of the major branches.RC oscillator circuit, delay circuit, CD406O，MAX894, such as chips are used in the design. With the connection of other external circuit, change the value of C2, through the replacement of the fixed capacitors C1. Test the output of two test points 1 and 2, by th
4、e oscilloscopes. At the end, observe the output waveform of oscilloscope, look to see it that meet the two precondition of the successful test.In theory, the design of Low-Power Capacitor gravity switch, used in the design is a new switch design which different from the ordinary capacitance, it can
5、detect any object, and greatly enhance the scope of its application. It can be widely used in national defense, industrial and agricultural production to improve the accuracy and efficiency in works.Key words: Integrated circuit, Switch electric capacity, selected frequency network第 3 页 共 35 页1 引言1.
6、1 国内外研究的现状随着全球经济的快速发展，人口的增加、城市范围的扩大，能源紧张问题越来越突出了，生产效率如何提高的问题和生产成本如何降低的问题也越来越明显的摆在我们面前，所以日常社会生产和生活中对生产和生活中不可缺少的这一项元素开关就提出了更高的要求。然而计算机的广泛应用及大规模集成电路技术的发展决定了经典的线性定常电路理论开始转向线性时变电路的分析综合的趋势，连续的模拟域的处理也广泛扩展到离散数字域，而且新型电路器件在陆续出现，开关电容（Switched Capacitor）技术以及其选频网络（开关电容滤波器，SCF）正是新发展潮流的一个分支，目前，开关电容电路在理论和技术方面都是一个比较
7、活跃的领域，并且日渐完善。近些年来，由于大规模集成电路技术的突飞猛进，MOS 电路的速度、集成度和微功耗都得到了很大的改进，一种由 MOS 开关、 MOS 电容以及高增益低噪声优质的 MOS 运放等构成的开关电容电路得到了广泛的应用，开关电容电路是在时钟控制之下，利用电容存储与转移电荷的功能来传输信号。因此，其工作性能的分析方法与一般电路有所不同。开关电容电路具有很多特点和优点。比如：工作受时钟控制，电路所需的电阻有开关电容实现，阻值与时钟频率有关，阻值范围大，占用芯片的面积小，电流路性能只要取决于电容的比值，温度特性好，精度高，可与数字电路相兼容等。其性能主要取决于电容的相对值。现在两个电容
8、的比值已经可以控制在 0.3%左右。采用合适的技术，可以应用小到 0.5pF 的电容器，极易用改变开关信号频率（时钟频率）来改变电路的参数；能直接处理模拟连续信号，与数字滤波器相比，可以省去 A/D、D/A 转换装置。此外，因为体积很小，可以用 MOS 工艺将整个电容电路集成在意单片上，同时还可以达到功耗小、灵敏度高、温度特性好、易于制造的优点。在初始阶段，其主要用作有源滤波器，目前，其应用范围已经扩大到放大、振荡、频率变换及开关电容变压器的领域了，而且已经从开关电容电路发展为开关电容网络。其理论与实践的发展很快，已经成为模拟集成电路的一个十分重要的发展方向。因此，开关电容技术已经得到了第 4
9、 页 共 35 页各方面的重视。近些年来电容式开关电路已经非常普及，电容器是电子电路中的基本元件，在实际的电路中应用的较多是平行圆板电容器、同轴圆柱形电容器等。电容器主要有以下一些特点：首先，它们可以用 MOS 技术完全集成。其次，它们具有体积小、功耗低、易于制作这样一些既重要又有用的特性，这些特性尤其在实际应用中具有举足轻重的作用。随着电容式开关电路等各种技术的快速发展，对各种电容式开关进行更细致的分析、分类和研究也日趋重要。本设计正是在此背景下提出微小电容式重力开关，实现对电路的控制。另一方面，RF MEMS技术的出现和迅速发展引起人们广泛注意，采用该技术制备的MEMS电容开关与传统的FE
10、T场效应晶体管和PIN二极管开关相比，具有高隔离、低插人损耗、低成本、微小尺寸和IC兼容等特点，在分布式射频MEMS移相器应用中被认为是最有吸引力的器件之一。但该类型开关仍有一些问题需待解决，例如机械抗干扰能力差、驱动电压高和响应时间长等缺点，因而无法在低供电电压和高灵敏度的场合应用。随着MEMS电容开关广泛应用，分布式MEMS移相器电容开关的驱动电压、抗干扰能力和开启时间等参数都起着关键的作用，关系到电容开关能否与其它电路和环境兼容，移相器能否精确地控制相控阵天线。然而，在基于IP芯核中的soc集成电路设计风格中，越来越多的模拟电路芯核（analog intellectual propert
11、y）与数字电路模块集成到同一芯片上，同时模拟电路模块消耗的能量占整个芯片总耗能的比例一直居高不下，不同于数字集成电路的低功耗设计方法!模拟电路由于实现方式多样，所以很难找到一种统一的低功耗设计方法和流程，虽然模拟电路的低电压设计可以带来降低电路功耗的好处，但是不可避免地会影响模拟电路模块信噪比（SNR）等电路性能，为了降低模拟集成电路的功耗，同样可以充分利用模拟电路多种多样的工作特性。在离散信号处理技术中!开关电容电路在模拟数字转换电路（analog digital converter,ADC）、数字模拟转换器（ digital analog converter,ADC）和数字滤波器电路等模拟
12、集成电路路的设计对于降低模拟混合信号系统的功耗有重要意义，根据开关电容电路的工作特点，常见的针对开关电容电路的低功耗设计方法包括设计低功耗放大器（operational transconductance amplifier,OTA），双采样开关电容技术（double-samling,SC），开关运放技术（switched-opamp）和自适应偏置技术（adaptive biasing）等。第 5 页 共 35 页目前国内市场上存在有很多形式的电容式开关，比如CLS100电容物位开关，频电容开关等。其中 CLS100 电容物位开关是一个性能可靠，价格低廉的点式物位开关。它的尺寸紧凑，插入深度 1
13、00mm，适用于空间较小的场合。 两线制探头可检测固体、液体、浆体、界面和泡沫的高低物位，灵敏度高。适用于容器或管道等多种应用场合，是阻旋开关、振动开关或传统的电容开关替代品。 它的先进的顶端传感技术提供了精确的、重复性高的开关信号。探头材质为耐化学腐蚀的 PVDF/Kynar，工作温度： 。全密封紧凑的设计使之能够工作在搅拌釜等振动场合，C104可靠性高，抗振动可达 4 。当使用一个 SensGuard 保护盖时，可以保护它免受剪g切，冲击和磨损等恶劣的粗糙工艺的影响。易于安装，内置发光二极管 LED 验证其安装，没有可动部件，低维护，灵敏度可调整，有一体的不锈钢电缆型或 ABS外罩型，本安
14、型，防尘防爆型和普通型。射频电容开关是一种新型的物位检测仪器，采用了“一键标定”技术，解决了长期以来电容式物位开关在使用中标定烦琐的难题。且不怕挂料和冲击，没有夹料问题，灵敏度更高，它的圆柱行单根探测杆决定了它对工业现场更广泛的适用性。适用于块状、颗粒状、粉末状及液态物料的准位进行控制或上、下限位报警，且适用于高温、高压、强腐蚀、多粉尘等恶劣的环境。在冶金、石油、化工、轻工、煤炭、水泥、粮食、等行业中广泛应用。当传感器安装于壳体上时，探极和仓壁分别类似于电容器的两个电极；由于被测物料的介质常数与空气不同，所以壳内物位发生变化时会引起电极对壳壁间的电容量发生变化，当该电容量大于用户设定值时，限位
15、开关内继电器工作，输出开关信号达到控制或者报警目的。开关是日常生活中常用的电器元件之一，在电路理论以及电路分析中采用理想开关元件作为实际开关的电路模型。当开关元件被打开时，不管其两端的电压值是多少，电流恒为零，所以其伏安特性曲线就是i-u平面上的u轴；但当它被合上后，情况却恰好相反，此时不管流经开关元件的电流值是多少，电压恒为零，所以其伏安特性曲线就是u-i平面上的i轴。一个开关元件经常是处于开- 关- 开- 关的工作状态，所以它一会儿电阻 ,一会儿电阻 。因此，开关元件是R0R一线性时变电阻。由于开关元件其两端的电压值为零，其流经的电流为零，因此在电路理论的研究中，往往认为其消耗的功率始终为
16、零，在电路中除了断开或接第 6 页 共 35 页通电路之外不存在其他作用 1。电容开关测量头通常构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数 发生变化，它们之间的距离 发生改变，从而导致它两所组成电容的电容值发生改变，使得和测量头相连d的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。被这种开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。近些年来在国内外电容式开关电路已经非常普及，国外许多国家很早就对电容开关有研究和应用，国内电容式开关的生产主要集中在上海、浙江、广东等地，且此类开关中应用集成电路、传感技术的不多。国外的产
17、品主要集中在欧美几家比较知名的公司，如德国的西门子公司，日本富士，欧姆龙等公司。在国外大多数产品中，对于集成电路和传感技术的应用就较为广泛，在实际的电路中应用的较多是平行圆板电容器、同轴圆柱形电容器等 2。1.2 设计的目的和意义目前，虽然国内外生产电容式开关的厂商比较多，但生产类似于象本设计要求完成的这种微型智能化的电容式重力开关的厂商则相对较少。而本设计所研究采用的电容式重力开关在理论上可以检测到任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。所以此设计不同于一般的电容开关，是一种新型的电容开关设计方法，一旦能够得以推广，将会给日常生活带来更大的便利
18、。本设计所研究采用的微小电容式重力开关可以广泛地应用于国防业，工业，农业生产和人们日常生活中，对于提高各种工作系统的精确性，准确性，提高生产线的效率以及方便人们日常生活都有着积极的作用。第 7 页 共 35 页2 硬件电路设计原理2.1 开关电容电路（一） 、开关电容电路原理图 2.1（1）电路是由电容和双掷开关 K 组成，开关先处于 A（输入端） ，使电容器充电到 ，电荷量为 ，然后将开关倒向位置 B（输出端） ，电容电AVAQCV路上的电压达到 ，在此期间流进（或流出）电容器的电荷为B=C（ - ）CAB如果开关以 的速度左右切换，当开关切换到速率远高于信号频率的时候，Cf可以认为在切换周
19、期中 和 恒定，从输入端传送至输出端的平均电流 为AVB eqI= = =eqI()ACT()ABCVf()ABCf式中的 = 是开关的切换周期。上式表明电容电路等效于 和 之间接CT1/f AVB有一个电阻 ，如图 2.1（2） ，其值为eRq= =eRqABeqVI1Cf上式表明可用开关电容电路在面积很小的硅片上实现高阻值电阻。图 2.1 开关电容电路原理（1）第 8 页 共 35 页图 2.2 开关电容电路原理（2）（二） 、开关电容的基本元件开关电容电路的基本元件是 MOS 电容器、MOS 开关、MOS 运放和时钟信号。(1) MOS 电容器 它有两种构成方式，一种是用 MOS 技术制
20、作的接地电容，金属板为电容的一个小电极，N 型半导体为其另一电极，中间介质为二氧化硅和耗尽层，另一种（如图 2.3 所示）制作方法与前一种不停的只是金属板由一层重掺杂 P 型硅所代替。图 2.3 mos 电容器开关电容电路中所用的电容量大致选在 140pF 之间，值得注意的是，MOS电容又主要来自电极与衬底之间的寄生电容，因而在将其接入电路时必须要考虑到寄生电容的影响。（2）MOS 开关 这里的 mos 开关，它与普通晶体管用作模拟开关的情况一第 9 页 共 35 页样，但 MOS 场效应管开关和理想开关仍有差别。导通阻抗值在数十至数百欧姆之间，并非零值，在断开时，由于存在泄漏电流，阻抗也不是
21、无穷大，另外，还有寄生电容的影响，使开关速度受到一定的限制。（3）MOS 运算放大器 它是开关电容电路中的关键元件，早年运放是双极型的，近年来在 MOS 和 NMOS 运放的直接实现上人们进行了大量的研究，采用耗尽型期间作为增强型的负载，在不增加运放级数的情况下可以获得很高的开环增益。（4）时钟信号 它是周期性变化的不变秩的脉冲序列，开关电容所等效的电阻值预期频率有关，因而只要改变时钟信号的频率就可以改变开关电容电路的参数，这种信号源易于集成电路技术的获得，且可与其它元件集成在同一硅片上。2.2 设计原理电源 振荡计数电路应用电路图2.4 硬件电路设计原理框图4060输出应用电路图2.5 振荡
22、计数电路原理图如图2.4、2.5所示，本设计研究的是微小电容式重力开关，即由于重力的原因改变电容值，使得RC振荡电路起振，通过4060计数器，产生固定频率的方波。2.2.1 电源第 10 页 共 35 页电源的种类很多，比如像大功率稳压电源、可调开关电源、蓄电池组充电电源、可调直流稳压电源、直流稳压开关电源等等。本设计所用电源的要求是能为电路提供稳定直流电并且电压为 5 左右的电V源。经过分析，本设计采用 MAX894 这种 MOSFET 电源开关，这个开关的输入电压从+2.7V 到+5V，所以需要一般的小型电池给它提供合适的电压就可以了。MAX894内部电路保护输入提供反超载，热量超载保护限
23、制热量逸散和连接点温度。MAX894 的最大电流是 500mA。当开关打开，提供的电流是低于 16mA。当开关关闭，提供电流降为 0.1mA3 4 。MAX894也是一种短电路保护开关。在产品短路或电流过载情形下，过载电流通过或者开关由内部当前限制的错误放大器限知1.5x 。当成错误条件被去除，LIMT复制品错误放大器当前的极限回到 的情况下，开关关闭和分开输入提供从产LIMT品。当前限制的放大器然后慢慢地起动开关以输出电流被限制1.5x 条件被去SETI除，电流过载极限回到 5 。LIMTMAX894就是热量停工.当连接点温度超出+135时，开关关闭。一旦设备冷却到10时，开关转动。如果短路
24、情况不及时去除的话，那么开关就会周期性的开断，从而造成产品性能的波动 6。从而可以考虑在电路中安置一个接地的电容器，当在应用信息输入时，电容器将会限制输入电压，使产品不会出现间断性的短路情况。1mF 的陶瓷电容器是应用最为广泛的。但是电容器的更高的价值在于进一步减少输入电压的下落。在布局和散逸热量时要考虑到利用开关反应时间的输出短路情况，这是非常重要的，因为可以减少寄生感应。要安装尽可能和输出电容器一样紧密的输出设备。在正常工作状态下，设备能消散掉热量 7 8 。2.2.2 振荡电路的介绍振荡电路是即使施加输入信号，只要接通电源开挂，在输出端也就产生低频或高频的交流信号及以控制电路的振荡状态来获得所需振荡频率和振荡电压的由放大电路和正负反馈电路构成的电路，一般由电阻、电感、电容等元件和其他电子器件所组成。在基于CMOS工艺的设计中，我们常用的振荡电路有以下三种：RC振荡电路、环形振荡电路和晶振。晶振的振荡频率精确但是价格高；环形振荡电
