GSM射频芯片内RC时间常数测量电路的设计
电路RC时间常数的实验研究与应用
电路RC时间常数的实验研究与应用RC时间常数是电路中非常重要的参数，它代表了电容充电或放电所需的时间。
在本篇文章中，我们将讨论RC时间常数的实验研究和应用。
首先，我们需要了解RC时间常数的定义和计算方法。
RC时间常数可以通过电容器的电容值C和电阻器的阻值R计算得出，公式为τ=RC。
在一个已知的电路中，我们可以通过改变电容或电阻的值来调整RC时间常数，从而实现对电路的控制。
为了研究RC时间常数，我们可以进行实验。
一种常见的实验是通过改变电容器的电容值和电阻器的阻值来观察RC时间常数的变化。
首先，我们可以选择一个固定的电容值，然后改变电阻值，以观察RC时间常数的变化。
实验结果表明，当电阻值增加时，RC时间常数也会增加。
这是因为增加电阻值会减慢电路中电流的流动速度，从而延长了电容充电或放电的时间。
另一种实验方法是保持电阻值不变，然后改变电容值。
实验结果同样表明，当电容值增加时，RC时间常数也会增加。
这是因为增加电容值会增加电容器储存电荷的能力，从而需要更长的时间来充电或放电。
RC时间常数的应用十分广泛。
首先，RC时间常数可以用于设计和调整电路的响应时间。
例如，当我们设计一个滤波器时，可以通过调整RC时间常数来控制滤波器的截止频率。
较大的RC时间常数将导致较低的截止频率，从而使滤波器可以滤除较低频率的信号。
此外，RC时间常数还可以应用于计时电路。
当我们需要测量一段时间时，可以使用RC时间常数来构建计时电路。
通过将电容器充电到某个特定电压值，并且在电容器放电过程中监测电压值，我们可以测量出特定时间的经过。
此外，RC时间常数也可以应用于电路延时和脉冲调制等领域。
通过改变RC时间常数，我们可以调整电路的延时时间或脉冲信号的持续时间。
总的来说，RC时间常数是电路中一个非常重要的参数，它可以通过改变电容和电阻的值来控制和调整电路的性能。
通过实验研究RC时间常数，我们可以更好地了解和应用它。
在设计和调整电路响应时间、构建计时电路以及调整电路延时和脉冲调制等方面，RC时间常数都有着重要的应用。
rc电路时间常数的测量和电容的计算
rc电路时间常数的测量和电容的计算文章标题：深度探讨RC电路时间常数的测量和电容的计算一、引言在电子学和电路理论中，RC电路是一种基本的电路类型，它由电阻和电容器组成。
在实际应用中，我们经常需要测量RC电路的时间常数，并计算电容的数值。
本文将从简到繁地探讨RC电路时间常数的测量和电容的计算，以帮助读者更深入地理解这一主题。
二、RC电路时间常数的测量1. 什么是RC电路的时间常数？在一个简单的串联RC电路中，电压由电源通过电阻R充电到电容C 上。
当电容器充电时，电压的增加速度随时间的推移而减小，时间常数τ定义为电压上升到初始值的63.2%所需的时间。
时间常数τ是RC 电路的一个重要参数，它决定了电路的响应速度和性能。
2. 如何测量RC电路的时间常数？为了测量RC电路的时间常数，我们可以通过实验方法来进行。
我们需要连接一个恒定电压源和串联的电阻R和电容C，然后在电容上接一个示波器。
通过改变电容充电和放电的时间，我们可以通过示波器读取电容器上电压的变化曲线，并计算出时间常数τ。
三、电容的计算1. 什么是电容？电容是电路中的一种基本元件，它用于储存电荷和电能。
在RC电路中，电容器起到了储存电荷和调节电路响应速度的作用。
2. 如何计算电容的数值？在实际应用中，我们经常需要计算电容的数值。
对于平行板电容器而言，电容C与电场强度E、介电常数ε和板间距d有关，可以通过公式C=εA/d来计算。
在实际电路中，我们也可以通过测量RC电路的时间常数τ来间接地计算电容器的数值，通过公式C=τ/R来推导计算。
四、总结与回顾通过本文的深度探讨，我们更全面地了解了RC电路时间常数的测量和电容的计算。
时间常数τ是一个关键参数，它反映了电路的响应速度和性能；而电容C则是电路中储存电荷和调节响应速度的关键元件。
通过实验方法和公式推导，我们可以准确地测量时间常数和计算电容的数值。
五、个人观点与理解作为一名电子工程师，我对RC电路时间常数的测量和电容的计算有着丰富的实践经验。
rc电路时间常数的测量 实验报告
rc电路时间常数的测量实验报告实验目的：通过实验测量RC电路的时间常数，了解RC电路的充电和放电过程，并熟悉使用示波器测量电路的时间常数。
实验器材：1.电源、电阻、电容器2.示波器3.多用电表4.电线、电阻和电容连接线实验原理：RC电路是由电阻R和电容C串联或并联而成的电路。
在充电过程中，电容器通过电阻器充电，充电电流逐渐减小，电容电压逐渐增大，最终趋于电源电压。
在放电过程中，电容器通过电阻器放电，放电电流逐渐减小，电容电压逐渐减小，最终趋于0。
根据充电过程中电容电压变化的表达式可以得出，当电容电压达到电源电压的63.2%时，时间t=RC即为RC电路的时间常数。
在实验中，我们可以通过测量电容电压的变化来间接测量RC电路的时间常数。
实验步骤：1.搭建RC电路，将电阻R和电容C串联或并联，并通过电源提供电压。
2.将示波器连接到电容的两端，设置示波器的扫描方式为自动扫描。
3.打开电源，记录电容电压随时间的变化，直到电容电压达到电源电压的63.2%。
4.使用示波器测量充电过程中电容电压的时间t1。
5.换一个电阻或电容，重复步骤2-4，记录数据。
6.根据测得的电容电压变化值和时间值，计算RC电路的时间常数。
实验结果：根据示波器测量得到的电容电压随时间变化的曲线，确定电容电压达到电源电压的63.2%所对应的时间值t1，则t1即为RC电路的时间常数。
实验讨论与误差分析：1.在实际实验中，会存在电源电压波动、电阻和电容的内部电阻等因素，会对实际测量值产生偏差。
2.为减小误差，可以多次重复测量，取平均值作为最终结果。
3.如果电容电压的变化不明显，可以适当调节电源电压、电阻和电容的数值，使得测量结果更加准确。
实验总结：通过本次实验，我们成功测量了RC电路的时间常数，并通过测量电容电压的变化，了解了RC电路的充电和放电过程。
实验中我们还学会了使用示波器测量电路的时间常数，提高了我们的实验操作能力。
然而，在实际实验中，我们仍然需要注意各种误差因素，以提高实验的准确性。
rc电路中时间常数
RC电路中的时间常数1. 简介在电路中，RC电路是由一个电阻和一个电容组成的。
电路中的时间常数（time constant）是指在RC电路中电流或电压达到稳定值所需要的时间。
时间常数是RC电路的一个重要参数，它可以影响电路的响应速度和稳定性。
2. RC电路的基本原理RC电路由一个电阻（R）和一个电容（C）组成。
电阻的作用是限制电流的流动，而电容则能够存储电荷。
当RC电路接通电源时，电流开始通过电路，并且电荷开始在电容中积累。
电流通过电路的速度由电源的电压和电阻的阻值决定。
当电流通过电阻时，会导致电压的降低。
与此同时，电容开始储存电荷，直到达到电容的最大容量。
当电容储存的电荷达到一定程度后，电流将不再流动，电路中的电流和电压保持稳定。
这意味着RC电路达到了稳态，电流和电压分别稳定在某个特定的值。
3. 时间常数的定义和计算时间常数是指RC电路达到稳态所需要的时间。
它可以用以下公式来计算：τ = R * C其中，τ表示时间常数，R表示电阻的阻值，C表示电容的容量。
可以看出，时间常数取决于电阻和电容的值。
较大的电阻或电容会导致时间常数较大，电路达到稳态所需的时间较久。
相反，较小的电阻或电容会导致时间常数较小，电路达到稳态所需的时间较短。
4. 时间常数的意义时间常数直接影响RC电路的响应速度和稳定性。
较小的时间常数表示电路的响应速度较快，电流和电压会快速达到稳定值。
这对于需要快速响应的电路非常重要，例如信号处理电路和放大器。
另一方面，较大的时间常数表示电路的响应速度较慢，电流和电压会缓慢趋向稳定值。
这对于需要稳定输出的电路非常重要，例如滤波器和稳压电路。
5. 时间常数的应用时间常数在电路设计中起着重要的作用。
以下是一些常见的应用：a. 信号处理电路在信号处理电路中，时间常数决定了电路对输入信号的响应速度。
较小的时间常数可以使电路对高频信号有更好的响应，而较大的时间常数则适用于低频信号。
b. 滤波器滤波器是一种能够去除或衰减特定频率信号的电路。
rc延时电路设计
rc延时电路设计
RC延时电路是一种根据RC时间常数原理设计的电路，用于延迟电路输出的时间。
其关键在于通过RC时间常数的控制，将输入信号延迟一定时间后才输出。
RC延时电路的基本原理是：通过电容器和电阻器的串联电路，将电容器充放电的时间常数和电阻器的电阻值相乘得到RC时间常数，从而实现输入信号的延迟。
设计RC延时电路的基本流程如下：
1.确定需要延时的信号的波形和频率，以及延时时间的要求。
2.选择合适的电容器和电阻器，计算它们的时间常数。
3.根据所选的电容器和电阻器，计算出RC时间常数。
4.根据RC时间常数和所需的延时时间计算出所需要的电容器和电阻器的电阻值。
5.按照计算所得的电容器和电阻器的电阻值选择合适的元器件，搭建RC延时电路。
6.测试RC延时电路的延时时间是否符合设计要求，调整电容器或电阻器的值以达到最佳效果。
需要注意的是，RC延时电路的精度受到电阻器和电容器的稳定性、温度漂移等因素的影响，因此在实际应用中需要对电路进行校准和调整。
同时，为了减小RC时间常数的误差，可以采用多级RC延时电路或数字电路实现更高精度的延时效果。
GSM手机射频电路设计和测试方法的研究的开题报告
GSM手机射频电路设计和测试方法的研究的开题报告一、研究背景GSM（全球移动通信系统）是一种全球性的第二代数字移动电话标准，其射频电路在其通信系统中起着至关重要的作用。
GSM手机在市场中占有举足轻重的地位，其性能直接影响用户体验和市场竞争力。
因此，对GSM手机射频电路设计和测试方法的研究，有助于提升GSM手机的性能和竞争力，提高其市场份额。
二、研究内容1. GSM手机射频电路设计理论研究：了解GSM手机的基本原理和射频电路设计的基本原则，探讨射频电路中常用元器件的特性及其在电路中的应用。
2. GSM手机射频电路设计实践研究：结合手机射频电路的实际应用环境，设计GSM手机的射频电路，包括功率放大器、低噪声放大器、混频器等模块的设计和优化。
3. GSM手机射频电路测试方法研究：介绍GSM手机射频电路测试的基本原理和方法，并对射频电路进行信号特性测试、频率响应测试和瞬态响应测试等。
三、研究意义通过对GSM手机射频电路设计和测试方法的研究，可以改善GSM手机的传输性能和用户体验，提升其市场竞争力，同时也为相关领域的研究提供参考和借鉴。
此外，该研究也可以为我国通信产业的发展提供技术支撑。
四、研究方法1. 理论研究法：通过对国内外相关文献的收集和综合，系统地阐述GSM手机射频电路设计的基本理论和方法。
2. 实践研究法：利用硬件平台和软件平台，实际设计和测试GSM手机的射频电路，优化电路性能，逐步完善设计和测试方法的理论基础。
3. 数据分析法：通过对所得到的数据进行分析和总结，评估不同方法的优劣，不断改进研究方案，提高研究水平和方法的可靠性。
五、预期成果1. 撰写GSM手机射频电路设计和测试方法的完整论文，发表在相关学术期刊上。
2. 设计一个实际的GSM手机射频电路，并对其进行测试及优化，研究所得到的具体数据和结果。
3. 形成一套GSM手机射频电路设计和测试方法的理论框架，并对其进行实际应用和验证。
六、研究难点和问题1. GSM手机射频电路的设计和测试涉及到多个专业领域的知识，如电路设计、电磁场理论、无线通信等，如何将其有机地结合起来，成为研究的难点。
rc电路时间常数
rc电路时间常数
RC电路时间常数是电子电路中被广泛使用的一种组件。
它的基本工作
原理是通过把电阻和电容连接到同一个电路中，让它们之间产生相互
作用，使电路有一个固定的时间常数。
它是理想电路中平均方向电流
和电压之间的变化的比例或者时间比例，它可以用来稳定整个电路的
运行，并且在一定程度上提高电路的精确度。
RC（电阻-电容）电路是由一个电阻和一个电容连接而成的电路，它是
一个被称为“时间常数”的组件，时间常数是一种用来衡量电路的响
应时间的量，它是指有一个给定的电流时，电压的变化时间。
时间常
数是由电阻和电容之间的关系决定的，由于RC电路的不同参数，时间
常数也会有不同的值，通常情况下RC时间常数的值越大，表示电路输
出的响应时间越长，反之，输出的响应时间越短。
RC电路中，时间常数可以用来稳定电路的运行，使电路有一个固定的
时间常数，以达到精确度的要求。
精确度的提高是由时间常数与电路
中其它参数之间的精确协调决定的。
此外，RC时间常数还可以用来生
成传感器的稳定信号，因为它容易受到电磁干扰，所以使用一个稳定
的时间常数相当重要。
在电路中，RC电路时间常数用来提高电路的精确度，稳定电路的运行，以及抗电磁干扰，可以说，它是电路系统中非常重要的一种组件，它
可以帮助电路更好地发挥它们的作用，提高电路系统的效率。
RC电路时间常数的测量
图 4 模拟输出任务配置参考
图 5(a) 模拟输入任务配置参考（1）
图 5(b) 模拟输入任务配置参考（2）
4） 计算充电时间常数和电容值，总体程序参考框图如图 6 所示。
图 6 总体参考程序框图 5）运行程序，测量时间常数和相应的电容值，并记录测量结果。若有条件，可更换不同电 容进行测量，并分别记录测量结果。
1
U
0.632 0 t
图 1 RC 电路充电曲线及时间常数的确定
四、实验内容
本实验基于虚拟仪器技术测定一阶 RC 电路充电过程中的时间常数τ。 利用数据采集卡 的输出通道 DAC0 对 RC 电路产生从 0V 到 5V 的阶跃激励信号，然后使用多通道数据采集 卡的模拟电压输入通道对电容两端的电压进行采集， 并将采集结果显示在屏幕上， 从而观察 和分析 RC 电路的充电过程，测得时间常数，并可以和理论计算值进行比较。由于时间常数 的测量相对精确，在电阻值确定的情况下亦可进行电容值的测算。
测量电路连接示意图如图 2 所示。激励电压通过 DAC0 输出接入 RC 电路，采集电容两 端电压时使用差分连接方式接入模拟通道 ACH3。 为了保证在产生阶跃激励信号的同时启动 电压测量，可将输出激励信号同时连接到 PFI1 触发输入通道。Βιβλιοθήκη 图 2 测量电路连接示意图
考虑到数据采集卡的 DA 输出能力，充电电流不可过大，应采用合适的电阻电容构建 RC 电路。本实验中取 R=20kOhm，C=0.1uF。另外，建议将 DAC0 的输出通过运放或比较 器后再接入 RC 电路，以增强驱动能力。 注意：程序执行前请确保 DAC0 的输出为零，可在 MAX 的测试面板中设置。 连接好测试电路后，在 LabVIEW 中编写数据采集和计算程序，具体步骤为： 1） 设计前面板，参考面板如图 3 所示
测量RC阶电路响应中的时间常数
测量RC阶电路响应中的时间常数
测量RC阶电路的响应时，时间常数是一个关键参数。
以下是测量时间常数的步骤：
1.准备工具：准备一块数字示波器、信号发生器、RC电路、连接线和电源。
2.搭建电路：将RC电路连接到信号发生器和示波器上，确保连接稳定且信号
发生器的输出稳定。
3.调整信号：使用信号发生器产生一个阶跃信号，将其输入到RC电路中。
4.观察响应：在示波器上观察RC电路的输出信号，可以看到一个逐渐上升或
下降的波形。
5.测量时间常数：时间常数定义为输出信号达到稳态值的63.2%所需的时间。
在示波器上找到这个点，并使用示波器的测时功能测量这个时间。
6.重复实验：为了获得更准确的结果，可以重复进行实验多次，并取平均值。
7.记录数据：将测量得到的时间常数记录下来，并进行分析或用于后续计算。
需要注意的是，为了获得更准确的结果，应选择合适的信号发生器、示波器和电源，以确保信号稳定且无噪声干扰。
同时，还应遵循安全操作规程，避免电路短路或过载等情况的发生。
RC电路时间常数测量方法的研究
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ RC电路时间常数测量方法的研究摘要：RC电路是一种基本的动态电路，要想掌握其暂态过程，必须知晓电路衰减的快慢，即电路的时间常数τ值。
但是在电路中，由于受到电阻和电容元件参数的制约，时间常数τ往往非常小，很难实现精准的测量。
本文首先对教材中的RC电路时间常数的测量方法进行了改进。
然后利用电容电压的波形可以关于信号源电压中轴对称这一特殊性质，找到了时间常数的快速测量方法。
最后使用仿真软件，对教材中的常用方法进行验证。
对比得出电压波形对称法是目前最佳的实验方案，应在教学和工程应用中给予推广。
关键词：RC串联电路；时间常数；快速测量；仿真测试1 / 13Study of Methods for Measuring the Time Constant of RC CircuitAbstract: RC circuit is one of the basic dynamic circuits, the mastering of the transient process must firstly know the speed of attenuation-the circuit time constant τ. But in the circuit, because of the restricted resistance and capacitance parameters, time constant τ is often very small and difficult to achieve accurate measurement. In the paper, the measurement of RC circuit improved. Then, the rapid measuring method of time constant is derived by taking the features of the timeline symmetry of capacitance voltage waveform. Finally, the using of the simulation software proved the common method in the text. In the conclusion, the voltage waveform symmetry is the best experiment program and should be popularized in the teaching and engineering.Key Words: RC series circuit; Time constant; Fast measurement; Simulation test目录---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------摘要1引言11.实验原理21.1教材中常用到的充电0.632法21.2尽量使充放电过程完整以完善充电0.632法31. 实验原理1.1 教材中常用到的充电0.632值法用函数信号发生器作为信号源，通过示波器观察波形，采用时标观测法读出时间常数τ值，其实验电3 / 13路如图1所示:图1 实验原理图由于电容两端的电压不能突变，结合电路初始条件，我们可以简单推导出电容两端的电压随时间t的变化关系[6,7]：充电过程：放电过程：在电容充、放电的过程中，其电压均按指数规律变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第41卷第1期2011年2月微电子学MicroelectronicsV ol.41,No.1Feb.2011收稿日期:2010 05 14;定稿日期:2010 10 18GSM 射频芯片内RC 时间常数测量电路的设计陈 勖,徐 峰,王新安,黄 如(北京大学深圳研究生院集成微系统重点实验室,广东深圳518055)摘 要: 针对集成电路工艺容差所引起的器件偏差,设计了一款RC 时间常数测量电路,适用于GSM 系统的多相滤波器模块。
电路采用可编程电容阵列,可快速调谐,以保证模块稳定。
仿真结果表明,采用5位数控方式调谐电容阵列,调谐时间误差不超过三个时钟周期,满足系统要求。
关键词: 射频集成电路;RC 测量;多相滤波器;运算放大器中图分类号:T N492文献标识码:A文章编号:1004 3365(2011)01 0103 04Desig n of RC T ime Constant M easuring Circuit in R F IC for GSMCH EN Xu,XU Feng,WANG Xin an,H UANG Ru(K ey L aboratory of I ntegrate d M icro syste m,S henz hen G rad uate S chool of Peking Univ ersity,Shenzhen 518055,P.R.China)Abstract: To deal with device error caused by IC process,an RC time constant measuring circuit w as designed for polyphase filter module in GSM system.In this cir cuit,programmable capacitor ar rays w ere used to rapidly tune parameters,which ensured stability of the module.Simulatio n results showed that,with 5CNC mode tuning capacitor arrays,the tun ing time error w as no more than three clock cy cles,which meets requirements of the system.Key words: RF IC;R C measurement;P oly phase filter;Operat ional amplifier EEACC : 22201 引言GSM 是目前最流行的无线通讯制式,在移动通讯、车载通讯、防入侵通讯等领域中扮演重要角色。
目前流行的GSM 接收机系统架构包括零中频和低中频两种。
前者直接变频到零中频,避免镜像干扰,但存在直流失调、二阶交调失真、1/f 噪声等问题;后者在处理这些问题时就相对容易得多。
其中一个关键模块就是多相滤波器,它的作用主要是抑制镜像干扰和邻道干扰。
由于GSM 系统对线性度和集成度要求较高,因此多相滤波器不仅要实现滤波功能,还需要按系统分配实现低频增益控制功能,从应用功能上看,属于有源RC 滤波器的范畴[1,2]。
在CM OS 工艺中,由于制作工艺的非均匀性,代工厂提供给设计人员使用的器件模型均存在或多或少的偏差。
无源器件尤其明显,如电阻具有 20%的变化范围,电容具有 10%的变化范围。
而且这些因素是相当不确定的,RC 乘积值只能精确到 30%左右。
另外,电阻和电容随温度的变化所产生的变动更加明显。
因此,对于需要精确RC值的电路,如上述有源RC 滤波器,对其RC 时间常数的值进行精确测量是很有必要的。
本文针对整个GSM 移动终端射频芯片中的关键模块 多相滤波器,设计一款实用的RC 时间常数测量电路,并通过数字校正消除因器件误差所导致的电路性能偏差。
设计RC 时间常数测量电路的总体要求必须满足:在各种工艺角、温度条件下,通过补偿,使RC 值基本保持恒定,误差最大不超过三个时钟周期。
2 工作原理和结构选择2.1 工作原理RC 测量电路基本原理是通过RC 值演变为时间来进行测量。
根据电容的V I 特性,可得:C =I * tUt =C * U I (1)根据I =U/R,可以推导出:t =R C * UU=K *RC (2)(2)式中,K为恒定系数,因此可将R C乘积演变为时间来进行测量。
但是,在测量过程中,有源器件开关电流的动作会产生电荷注入现象,系数K有变化,因此在电路设计时需要注意。
RC测量电路对于多相滤波器电路的工作性能有重要作用,必须考查其功耗、最小电容辨别度等性能指标。
RC测量电路的功耗要求比较低,因为测量电路仅在滤波器模块上电后启用一次,模块正常工作后,该电路处于关闭状态,因此并不会对系统整体的工作功耗造成过高的负担。
另外,由于该电路检测的是一个固定电阻和一个电容阵列电容的时间常数值,因此,电容阵列电容变化一个最小单位,输出从低电平变化到高电平的时间至少要求有一个时钟周期。
时钟周期长度变化太小,不能识别电容最小单位,变化太大,则RC测量周期耗时太久,增加芯片上电后进入正常工作需要的时间。
2.2 结构选择RC测量电路主要由运算放大器和比较器构成。
结构选择主要是指对运算放大器和比较器结构的选择。
这里的运放输入信号并不是差分信号,因此选用单端输出即可。
作为电压输入跟随器的运放,根据不同的输入共模电平选择输入对管。
输入共模电平较低的选用PM OS管;输入共模电平较高的则选用NM OS管。
由于电压跟随器输出电压为确定的电平,为减少整个电路的面积,运放中用到的补偿电容采用M OS可变电容,因为输入、输出端电压确定,该可变电容的值也可确定,而作为积分器使用的运放,在正常工作时,输出端的电压值是变化的,因此,该运放补偿电容采用M IM电容[3 5]。
比较器有两种选择:钟控比较器和静态比较器,采用钟控比较器能获得较好的输出同步信号,但也存在比较精度误差等问题。
静态比较器则刚好相反,输出信号和数字部分时钟不同步,也就是输出信号不会刚好是整数个时钟周期,存在一定的误差,但也就不存在时钟信号反馈引起的比较误差[6]。
本设计选用静态比较器。
3 电路设计RC测量电路的主体架构如图1所示,包括四个运算放大器、一个比较器、电容阵列和偏置电路。
运算放大器A1、A2、A3作为电压跟随器使用,A4则作为积分器使用。
电压比较器对输入的固定电压V7和积分器的输出电压V6作比较,结果输出到数字部分进行处理。
数字部分通过计数从低电平变到高电平需要的时钟个数,实现对RC时间常数的测量。
该电路测量的目标是电容阵列的电容和运放A1、A4之间的电阻的乘积值。
假定运放A1和A4之间的等效电阻相等均为R,电容阵列电容值为C。
电路刚开始工作时,开关管导通,V6=(5/8)V d d> V7=(2/8)V d d,比较器输出为低电平。
图1 RC测量电路的主体架构Fig.1 Architecture structure of RC measurement circuit开关管截止后,流经A1和A4之间电阻R的电流为:I=(V1-V4)/R=(1/8)(V dd/R)(3)该电流对电容阵列充电,由于正极板电压值不变,所以负极板电压V6下降。
当V6电压下降到与V7相等时,比较器翻转,输出高电平。
设经过 T 时间,V6从初始电压(5/8)V dd下降到和V7相等,根据平板电容公式,可得:T=3R C(4)式中,C为电容阵列中选取的电容值,为了能对电容阵列中电容最小单位的变化进行识别, T变化选定为三个时钟周期。
假定选取两个电容阵列值进行测量,可确定电阻值R为158k ,本文取150 k 进行设计。
3.1 比较器设计比较器的简化结构如图2所示,采用带预放大单元的静态比较器结构,不存在输出到输入端的反馈,因此不需要补偿电容。
图2 比较器拓扑结构F ig.2 T opolog y of co mpar ator3.2 电容阵列设计在RC 测量电路中,电容阵列设计是否合理直接关系到测量的精度、测量的动态范围[1,7,8]。
本设计中,电容采用5位开关阵列,其结构如图3所示。
图3 电容阵列结构F ig.3 Str ucture o f ca pacito r ar ray电容阵列的设计分为两步:第一步测试电容受PVT 影响,向上变化的最大变化率 和向下变化的最大变化率 ;第二步确定C 0、C LSB 、n (TT (40 )下的开关位)。
M OS 电容阵列设计依据:C =C 0+n C LSB (5) C 0 =C 0+n C LSB(6)C 0 +31C LSB =C 0+n C LSB (7)(5)式中,C 为设定值(C 具有一定的灵活性,它与芯片滤波电容呈镜像比例的关系)。
通过3dB 点测得M OS 电容在工艺角SS(40 )具有向上变化的最大变化率 =1.364,在工艺角FF(120 )下具有向下变化的最大变化率 =0.73。
C 设为17.63pF,等于滤波电容的1/11。
将 、 、C 代入(5)、(6)、(7)式,解得n 13=01101(二进制),C 0=6pF,C LSB =0.239pF 。
电容阵列参数确定之后,选择开关设计成与之成比例即可。
3.3 偏置电路设计偏置电路的作用有两方面,一方面提供电路所需的偏置电流,另一方面,产生(2)式中的恒定系数K 。
偏置电流采用简单的与电源无关的产生电路,如图4所示。
系数K 产生电路采用电阻分压、电压跟随结构的运算放大器。
设计跟随器时,主要考虑图4 偏置电路F ig.4 Bias cir cuit驱动能力,驱动能力的大小直接决定电容上电压复位过程的时间,复位时间也将影响RC 测量电路的校准时间,这些都是在设计中必须考虑的。
4 仿真结果与分析本文设计采用T SMC 0.18 m CM OS 工艺实现。
由于RC 测量电路的功能主要是对RC 的乘积进行测量,因此,对RC 测量电路的仿真,就是在电容阵列选取不同的值时,在工艺角和温度条件下,比较器从低电平变到高电平所需的时间。
取两种仿真环境条件下的仿真结果进行比较,如图5、图6所示。
图5所示为电容阵列选择开关cs 4 、cs 3 、cs2 、cs 1 、cs 0 为全0,温度为40 时RC 测量电路的瞬态仿真值。
可以看出,比较器输出从低电平变到高电平,时间大约为2.73416 s 。
图6所示为电容阵列选择开关cs 4 ,cs3 、cs 2 、cs 1 、cs 0 为00001,温度为40 时RC 测量电路的瞬态仿真值。