详解开关电容滤波器基本原理

开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。此外，由于MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅猛发展提供了很好的条件。

 

基本原理

 

SCF电路的实质是采样数据系统，它直接处理模拟连续信号。与数字滤波器相比，省去了A/D、D/A装置，这也是SCF能很快进入应用的原因之一。因此，SCF虽然在离散域工作，但仍属模拟滤波器之列。

 

各类SCF的设想主要起因于流过电阻器与开关电容的电荷相同。这一点是很自然的，有源RC滤波技术已有效地取代了电感器，开关电容技术首先的设想当然是试图用开关电容(SC)来取代电阻器。

 

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。

 

由 MOS开关、电容器和运算放大器构成的一种离散时间模拟滤波器。开关电容滤波器广泛应用于通信系统的脉冲编码调制。在实际应用中它们通常做成单片集成电路或与其他电路做在同一个芯片上。通过外部端子的适当连接可获得不同的响应特性。某些单独的开关电容滤波器可作为通用滤波器应用。例如自适应滤波、跟踪滤波、振动分析以及语言和音乐合成等。但运算放大器带宽、电路的寄生参数、开关与运算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪声等,都会直接影响这类滤波器的性能。开关电容滤波器的工作频率尚不高，其应用范围目前大多限于音频频段。 开关电容滤波器 基本原理 最简单的开关电容滤波器见图1。开关K置于左边时,信号电压源u1向电容器C1充电;K倒向右边时，电容器C1向电压源u2放电。当开关以高于信号的频率fc工作时,使C1在u1和u2的两个电压节点之间交替换接,那么C1在u1、u2之间传递的电荷可形成平均电流I=fcC1(u1-u2)，相当于图1a的u1和u2之间接入了一个等效电阻,其值为1/fcC1。这样，图1a的开关电容电路就可等效于一阶有源低通滤波器(图1b)，其传递函数为

 

H(jω)= j (fc/ω) (C1/C2);

 

式中ω=2πf。从上式可见，开关电容滤波器的传递特性取决于比值C1/C2和开关频率fc。事实上，图1b是一个积分电路，因此，开关电容滤波器可用于模拟滤波器的相应电路，以实现LC滤波器、有源滤波器等的特性。

 

设计 设计开关电容滤波器的方法，大致可归结为两大类。一类以模拟连续滤波器为基础，通过一定的变换关系把连续系统的网络函数变换为对应的离散时间系统网络函数，以便直接在离散时间域内精确设计。这时可把网络函数分解为低阶函数，然后用开关电容电路模块通过级联或反馈结构实现。另一类是以LC梯形滤波器为原型用信号流图法或阻抗模拟法以开关电容电路取代LC电路中的各支路或电阻、电感，元件之间有一一对应关系。

 

跳耦型开关电容滤波器 有源滤波器跳耦电路的实现，是基于对无源LC梯形滤波器的模拟。这时跳耦电路的各支路分别对应于无源滤波器原型各支路，且其导纳都是以积分函数形式出现的。 开关电容滤波器 如果将跳耦电路各支路的积分函数用差分输入的开关电容积分器(图2)实现，并计入端接负载的影响，就可以得到和五阶LC低通滤波电路(图3a)相对应的开关电容滤波器电路(图3b)，而且仍然保持原型无源LC滤波器的低灵敏度特性。

开关电容积分器在每个时钟周期对输入信号取样一次，为了避免输出信号产生附加相移,严重影响滤波响应,必须如图3b那样，使相邻积分器的开关向相反的方向投掷。 开关电容滤波器 电压反向开关型开关电容滤波器 也是用LC滤波器为原型电路，但用开关电容等效元件替换模拟元件。电路工作时要求用“电压反向开关”控制电容网络中的电荷流动，使等效元件内部开关动作时元件所构成的环路中没有电荷流动。

 

实现“电压反向开关”的方法很多，图4a是用运算放大器构成的电压跟随器形式的电压反向开关，图4b是它的电路符号。其工作过程是：当开关K1闭合、K2打开时,因电压跟随作用,电容器CH上的电压uH等于输入电压ua,即uH=ua;而在开关K1打开、K2闭合时,电容CH上的电压反向加在运算放大器输入端。这样，因运算放大器虚短路，在每个开关周期内，端口上电压恰好反向。 开关电容滤波器 图5a是按这种方法构成的五阶低通电压反向开关型开关电容滤波器的电原理图，图5b是它的原型电路。与跳耦型开关电容滤波器相比，这种型式的电路需要的运算放大器数目较少，且仍能保持无源LC网络的低灵敏度特性，但它的开关时钟相位关系比较复杂。

 

开关电容滤波器

开关电容滤波器还有许多种构成方式，如在波数字滤波器原理基础上用开关电容实现的波开关电容滤波器。这种滤波器的原型电路可以是LC滤波器，也可以是含单位元的电路;而对选择性要求比较尖锐的窄带通滤波特性，可用N通道及伪N通道开关电容滤波器所呈现的梳状滤波特性实现。它们大多也以LC滤波器或含单位元电路为原型。由于它们各具特点，可用来构成型式多样、用途广泛的滤波电路。

 

开关电容滤波器中的开关是周期工作的，它的接通时间只占一个周期的一部分。如果几组开关轮流在一个周期内工作，就可构成时间复用的开关电容滤波器，并可节省运算放大器，简化电路。改变时钟频率可改变电路参数，如中心率、峰值增益、选择性等，因此可构成通用型多功能滤波器或可编程序开关电容滤波器。

 

制造技术 开关电容滤波器可用NMOS或CMOS工艺制造。制造技术关系到分布电容、开关的通导电阻、放大器的带宽、电容器公差以及电压节点的泄漏电流。按标准工艺制造，通常能够满足应用于音频范围的要求。运用某些改进的技术可以扩展工作频段和进一步减小电容器公差。