开关电容滤波器基本原理

模拟电路网络课件第四十一节:开关电容滤波器8.6开关电容滤波器一、开关电容滤波器基本原理开关电容滤波器是由MOS电容、开关和运放组成，其整体结构简单、制造简易、价廉，性能较好，大有取代一般滤波器的趋势。开关电容滤波器的基本原理是，电路的两节点间接有带高速开关的电容器，其效果相当于该两节点间连接一个电阻。图1a所示是一个有源RC积分器。在图b中，用一个接地电容C1和用作开关的源、漏极可互换的增强型MOS三极管T1、T2来代替输入电阻R1（注意此处T1、T2用的是简化符号）。图中T1、T2用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动（见图1c。假定时钟频率fc(=1/Tc)远高于信号频率，那么，在f1为高电平时，T1导通而T2截止[见图1d]。此时C1与输入信号vI相连，即有：qC1=C1vI而在f2为高电平时，T1截止，T2导通。于是，C1转接到运放的输入端，如图e所示。此时，C1放电，将C1原来所充电荷qC1传输到C2上。由此可见，在每一时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷qC1=C1vI。供给了积分电容C2。因此，在节点1、2之间流过的平均电流为如果Tc足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路Req，即和（1）这样，就可以得到一个等效的积分时间常数（2）显然，影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期TC和电容比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。在MOS工艺中，电容比值的精度可以控制在0.1%以内。这样，只要选用合适的时钟频率（如fc=100kHz），和不太大的电容比值（如10），对于低频率应用来说，就可获得合适的时间常数（如10–4s）。二、同相开关电容积分器和反相开关电容积分器开关电容积分器电路如图1所示。由图a可知，当f1为高电平，T1、T3导通，vI对C1充电；当vI为正，在图示vC1的假定正向下，充电结果vC1有一负电压。当f2为高电平时，vC1将加到运放的反相端，使vO为正，与vI同相，因此，图1a是同相积分电路。如果将T3、T4的时钟相位反相，如图1b所示，读者不难证明，图b具有反相积分器的功能。三、RC有源积分滤波器转换成开关电容滤波器图1所示为双二阶（带通和低通）RC有源滤波器，运放A1和A3构成反相积分器，而A2构成单位增益反相器，因而A2、A3构成同相积分器。对于输入信号来说，vo1具有二阶带通特性，而vo3具有低通特性。其传递函数分别为（1）（2）(a)双二阶RC有源滤波器图1(b)对应的开关电容滤波器在前述开关电容积分器的基础上，根据等效关系，由图a得到图b所示的开关电容带通滤波器和低通滤波器电路。图b中T1~T4和C3、T5~T8和C4、T9~T12和C5，T13~T16和C6分别等效图a中的R4、R1、R2和R3。而图a中的同相积分器，在图b中由T9~T12、C5、C2和运放A2所组成的同相积分器所代替。四、单片集成开关电容滤波器自1978年以来，国外已批量生产了各种开关电容滤波器，在脉冲调制编码（PCM）通信①语言信号处理等领域得到了广泛应用，仅美国就有多家公司生产各种开关电容滤波器。目前生产品种数量多、性能好、频率和相位特性最佳的是LinearTechnology公司。下面以该公司的产品为例作一简单介绍。美国LinearTechnology公司生产通用型（可组合为低通、高通、带通等）和低通型开关电容滤波器，通用型中包含LTC1064（8阶，fo=0.1~140kHz，高速fCPmax=7MHz，fCP=1MHz时，时钟馈通噪声电压），LTC1164（8阶，fo=0.1~20kHz，低功耗，fCPmax=500kHz）。低通型有十余种，大部分均是8阶的，其LTC1064-1和LTC106404的衰减特性达72dB/倍频程和80dB/倍频程；LTC1064-3、LTC10640-5等5种8阶低通滤波器均具有线性相位特性，在通带内的相位特性非线性误差在±0.5°~±0.7°。特别值得指出提，目前开关电容滤波器工作频率正向着高频发展，而宽带噪声比80年代初的开关电容滤波器约小两个数量级，某些型号的产品已能对微伏数量级的有用信号进行滤波。