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Uno de los enfoques más populares para realizar el procesamiento de señales analógicas en el nivel de IC son los circuitos de condensadores conmutados. Las aplicaciones de esta tecnología van desde filtros, convertidores AC / DC, comparadores, telecomunicaciones y todo lo demás.
Este artículo proporcionará una introducción al campo de los circuitos de condensadores conmutados, comenzando con una descripción general amplia y luego sumergiéndose en un bloque de circuito fundamental: la resistencia de tapa conmutada.

¿Qué es un circuito de condensador conmutado?

Un circuito de condensador conmutado es un circuito de tiempo discreto que explota la transferencia de carga dentro y fuera de un condensador controlado por interruptores. La actividad de conmutación generalmente se controla mediante relojes bien definidos que no se superponen, de modo que la transferencia de carga de entrada y salida está bien definida y es determinista.
Estos circuitos se pueden considerar como un tipo de circuito de muestreo y retención, donde los valores se muestrean y se pasan a través del circuito para lograr la funcionalidad deseada.

Un circuito de condensador conmutado con relojes que no se superponen. Imagen recreada utilizada por cortesía de Ma et al.

Los circuitos de condensadores conmutados son muy populares en aplicaciones tales como diseños de filtros gracias a su respuesta de frecuencia extremadamente precisa junto con una buena linealidad y rango dinámico.
Como veremos más adelante, las respuestas discretas de tiempo-frecuencia de los filtros de tapa conmutada se establecen en su totalidad por las relaciones de capacitancia y la frecuencia del reloj del circuito, lo que permite que la respuesta se establezca con precisión en el orden del 0,1%. Los filtros de tiempo continuo, por otro lado, establecen su respuesta de frecuencia en función de las constantes de tiempo RC, donde los valores pueden variar hasta en un 20% debido a las variaciones del proceso.

Resistencia de condensador conmutado

El bloque de construcción más fundamental del diseño de circuitos de condensadores conmutados es la resistencia de condensadores conmutados. Como se mencionó, este circuito tiene dos relojes no superpuestos de la misma frecuencia, ø1 y ø2. Para analizar este circuito, veremos dos etapas.

Una resistencia de condensador conmutado. Imagen recreada utilizada por cortesía de Carusone et al.

En la primera etapa, el interruptor 1 se enciende mientras que el interruptor 2 está apagado. En esta configuración, la carga fluye desde el nodo V1 hacia el condensador. En la segunda etapa, el interruptor 1 se abre mientras el interruptor 2 está cerrado. En este punto, C1 está conectado al nodo V2 y se cargará o descargará hasta que el voltaje final en el capacitor esté en V2. El valor total de este cargo en cada etapa se da como

(Q_1 = C_1V_1 )

(Q_2 = C_1V_2 )
Si tuviéramos que considerar el cambio total a cargo, obtenemos las siguientes ecuaciones:

( Delta Q = C_1 (V_1-V_2) = C_1 Delta V )

Sabiendo que la corriente se define como un cambio de carga con respecto al tiempo y que nuestro cambio en el tiempo no es más que nuestro período de reloj, podemos obtener el valor promedio de la corriente a través de este capacitor conmutado:

(I_ {eq} = frac {C_1 (V_1 -V_2)} {T} = C_1 Delta Vf )

Finalmente, podemos usar la ecuación anterior para encontrar la resistencia equivalente del circuito:

( mathbf {R_ {eq} = frac {T} {C_1} = frac {1} {C_1f}} )

Una nota rápida: sería negligente no mencionar que el análisis anterior asume que la carga transferida por ciclo de reloj es constante durante muchos ciclos, lo que nos permite aproximarnos a las corrientes y resistencias promedio. Para situaciones en las que la señal de entrada cambia rápidamente en relación con la frecuencia de muestreo, se requiere un análisis de dominio z de tiempo discreto.

Ahorro de área y respuesta de frecuencia controlada

A partir de estos resultados, podemos ver la magia de los circuitos de tapa conmutada: permiten a los diseñadores crear una resistencia muy controlada que depende solo de la frecuencia del reloj y el valor del condensador.
Uno de los beneficios de esta técnica es que ayuda a ahorrar espacio. Lograr grandes resistencias generalmente requiere una cantidad considerable de área de silicio. Ambos factores pueden reducirse significativamente con circuitos de tapa conmutada.

Un integrador de condensadores conmutados con relojes no superpuestos. Imagen recreada utilizada por cortesía de Tenhunen et al.

Otro beneficio es el hecho de que el desajuste entre resistencias y condensadores en un filtro RC de tiempo continuo es limitante. La combinación entre dispositivos similares tiende a ser mucho mejor (capacitor a capacitor) en comparación con diferentes dispositivos (capacitor a resistor), lo que hace que los filtros de tapa conmutada sean más precisos con su respuesta de frecuencia.
Finalmente, dado que nuestro valor de resistencia se establece totalmente por el valor de capacitancia y la frecuencia, podemos cambiar dinámicamente la respuesta de frecuencia de nuestro filtro cambiando la frecuencia del reloj.
Las aplicaciones de los circuitos de condensadores conmutados son muy amplias, y por una buena razón. Muchos circuitos, desde filtros hasta ADC, aprovechan estas técnicas para ahorrar área y respuestas de frecuencia estrictamente controladas.

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¿Tiene experiencia en el diseño de circuitos de condensadores conmutados? Si es así, comparta sus experiencias en los comentarios a continuación.