Switched Capacity - geschaltete Kapazitäten

Diese Technik wird in FPAAs häufig verwandt, da mit ihr durch geschaltete Kondensatoren auch Widerstände realisiert werden können.

links: konventionelle Schaltung mit Widerstand rechts: SC-Schaltung
Die beiden oben dargestellten Bilder sollen nur die Ähnlichkeit der beiden Schaltungen symbolisieren, sie sind lediglich ein Modell und dienen als solches nur zur Veranschaulichung. Das auftreten parasitärer Effekte am Schalter wird in diesem Modell nicht berücksichtigt.

In der linken Schaltung fließt ein Strom durch die Schaltung, die Größe und die Richtung des Stromes hängt von der Differenz der beiden Spannungen und dem in der Schaltung eingesetzten Widerstand ab.

Die rechte Schaltung kann die gleiche Aufgabe übernehmen, in ihr hängt der Stromfluß durch die Quelle 2 von der Differenz der Spannung U2 und der Spannung am Kondensator (Uc), sowie von der Schaltfrequenz ab.

Bei Linksanschlag des Schalters lädt, sofern U1 größer als UC ist, die Quelle den Kondensator auf. Wird der Schalter nun auf Rechtsanschlag gebracht, so entlädt, sofern die Spannung U2 kleiner als UC ist, sich der Kondensator. Es wird Ladung verschoben, es fließt ein Strom. Die Größe des Stromes hängt nun davon ab, wie lange der Kondensator Zeit hat, sich zu entladen, also wie oft er umgeschaltet wird, wie groß die der Widerstand R1 bzw. R2 ist und wie groß die Kapazität ist. Es wird mit einer Kondensatorschaltung das Verhalten einer einfachen Widerstandschaltung nachempfunden.

Die Schwäche dieser Schaltung liegt darin, dass sie nur Signale sauber übertragen kann, bei denen die Schaltfrequenz des Schalters mindestens doppelt so groß ist wie die des Signals. Je größer die Schaltfrequenz, desto kleiner darf C sein. Im Extremfall wird dann keine Ladung mehr übertragen, die Schaltung hat also Tiefpaßverhalten.

Da die Abstimmung der Komponenten, innerhalb des FPAAs, auf dem Verhältnis von mindestens zwei Kapazitäten beruht, werden Drifteffekte ausgeschlossen. Die einzelnen Komponenten schwanken zwar mit Temperatur und Einsatzdauer, aber durch die Verhältnisbetrachtung bleibt der resultierende Wert immer stabil und erhalten.

Forscher, z.B. vom Fraunhofer Institut, versuchten schon recht früh eine Alternative zur SC-Technologie zu finden, da diese nun einmal den Nachteil hat, dass große parasitäre Effekte auftreten, welche wiederum die Schalt-frequenzen auf einige KHz begrenzen.

Die Alternative sah Einheitswiderstände und Einheitskapazitäten vor, die durch Reihen- und/oder Parallelschaltung die erforderlichen Werte realisierten. Transmission Gates übernahmen die Funktion von Schaltern. Der größte Teil des Signalpfades wurde festverdrahtet. Dadurch wurden die parasitären Effekte begrenzt, die Schaltfrequenz (bis 200 KHz) und damit auch die Performance dieses Bausteins im Gegensatz zu einem Baustein mit SC-Technologie verbessert. Nachteil dieser Alternative bestand aber darin, dass sie nicht so flexibel anwendbar war wie die der SC-Technologie.