开关电容滤波器的设计与应用
开关电源EMI滤波器原理与设计
提高设备性能
EMI滤波器可以减少电磁干扰对周围 设备的影响，提高整个系统的性能和 稳定性。
EMI滤波器的分类与特点
分类
EMI滤波器根据不同的应用场景 和需求，可分为有源滤波器和无
源滤波器。
有源滤波器特点
有源滤波器通过放大电路和比较电 路实时检测干扰信号并消除，具有 较高的滤波效果，但成本较高。
无源滤波器特点
评估
通过对EMI滤波器性能的测试数据进行统计和分析，可以评 估其性能是否满足设计要求和标准。
优化建议
根据评估结果，可以提出针对性的优化建议，如改进滤波器 电路设计、选用更高性能的器件等。同时，也可以根据实际 应用场景和需求，对EMI滤波器进行定制化设计和生产。
05
EMI滤波器在开关电源中的应 用案例
01
02
03
插入损耗
滤波器对信号的衰减程度 ，通常用分贝（dB）表示 。
阻抗
滤波器对不同频率信号的 阻抗，通常用欧姆（Ω） 表示。
带宽
滤波器对信号的频率范围 ，通常用赫兹（Hz）表示 。
EMI滤波器的工作原理及作用机理
工作原理
EMI滤波器通过在电路中引入阻抗和感抗，对高频干扰信号进行抑制，从而减 小电磁干扰对电源的影响。
电设备的安全和稳定。
以上案例表明，EMI滤波器在开 关电源中具有广泛的应用，对于 提高电源性能、确保设备安全稳
定运行具有重要作用。
06
未来发展趋势与挑战
新型EMI滤波器技术的研究与发展
新型EMI滤波器技术
随着电子设备对性能和效率的要求不断提高，新型EMI滤波器技术的研究与发展成为重要趋势。这包 括研究新的滤波器结构、材料和设计方法，以提高EMI滤波器的性能和效率。
开关电容滤波器的设计
开关电容低通滤波器的设计原理分析为了滤除信号中掺杂的高频噪声，设计一种六阶级联式开关电容低通滤波器，以数据采样技术代替传统有源RC滤波器中的大电阻，有利于电路的大规模集成。
滤波器由双二阶子电路级联而成，电路中的电容值利用动态定标技术计算确定。
用Hspice进行仿真验证，结果表明：开关电容低通滤波器能较好地时信号进行整形，其频率特性符合设计指标。
滤波技术是信号分析和处理中的重要分支，它的作用是从接收到的信号中提取有用的信息，抑制或消除无用的或有害的干扰信号，有助于提高信号完整度和系统稳定性。
滤波器正是采用滤波技术的具有一定传输选择性的信号处理装置。
随着现代集成电路技术和MOS工艺的飞速发展，模拟集成滤波器的实现已经成为现代工业的一个重大课题，也是当今国际上的前沿课题。
传统的连续时间模拟滤波器采用有源RC结构，能够应用到较高的频率，但是电路中多采用大电容和大电阻，在集成电路制造时会占用大量的芯片面积。
在现代集成电路工艺中，很难得到精确的电阻值和电容值，而且电阻值随温度变化很大，精度只能达到30%。
1972年，美国科学家Fried发表了用开关和电容模拟电阻R的论文，由此开关电容技术成为模拟集成滤波器设计中常用的方法。
开关电容滤波器是由运算放大器、电容器和MOS开关组成的有源开关电容网络，以数据采样技术代替大电阻，减小了芯片的面积和功耗，且电路的极点和时间常数由电容的比值确定，可实现高精度的模拟集成滤波器。
本文设计一种开关电容低通滤波器，用于滤除有用信号中掺杂的高频噪声。
1 开关电容技术的原理图1中的开关电容等效电阻电路由两个独立的电压源V1、V2，两个受控开关S1、S2和电容C组成。
开关S1和S2受两相不交叠的时钟φ1和φ2控制，时钟频率均为fs。
在时钟φ1和φ2的控制下，两个开关周而复始地闭合与断开。
φ1闭合时，C充电到V1，φ2闭合时，C放电到V2，传输的总电荷为C(V1-V2)，流向V2的平均电流为：I=Qfs=C(V1-V2)*fs (1)根据欧姆定律，可知此开关电容电路的等效电阻(如图1(b)所示)为：Req=1/Cfs (2)利用开关电容等效电阻电路的最大优点是节省了硅片面积。
开关电容滤波器的设计与应用
第 1 卷 第 1 期 2004 年 3 月邵阳学院学报( 自然科学版)Journal of Shaoyang University ( Natural Sciences)Vol. 1. No. 1 M ar. 2004文章编号: 1672- 7010( 2004) 01- 0026- 03开关电容滤波器的设计与应用宁华申( 隆回县第二中学, 湖南 隆回422200)摘要: 文章阐述了开关电容滤波器的结构与 工作原理, 并给出了 MAX7400~ MX7415 系列集成开关电容滤波器的 设计实例. 关键词: 开关电容; 滤波器; 巴特沃斯; 契比雪夫; 贝塞尔中图分类号: TN713+ 92 文献标识码: A1 引言开关电容滤波器是利用开关电容网络构成的滤波 器, 它的出现促进了有源滤波器的集成化. 随着集成电 路制造技术工艺水平的提高, 集成开关电容滤波器的 尺寸变得越来越小, 设计也越来越简单, 已大量应用于 通讯和其它数字化系统. 美国 MAX 公司最新推出的低 通开关电容滤波器系列产品 MAX7400~ MAX7415, 将滤 波的设计任务简化到仅仅是对时钟频率选择, 采用 8 脚 LMAX 封装, 尺寸仅为 3. 0mm @ 5mm, 并具有低功耗、低 噪声等特点. 适用于 DPA 转换器的后滤波及 DPA 转换 器的抗混叠.图 2 电容连接形式构的开关电容滤波器的二阶单元电路如图 1( b) 所示. 其基本单元是由积分器构成的. 如图 2( a) 、( b) 所示.图 1( a) 中滤波器的中心频率为:图 1 滤波器二阶单元电路f =1 2PR 6 R 5 1R 1 R 2 C 1 C 22 工作原理连续有源滤波器的通用二阶单元电路如图 1( a) 所 示, 它由 3 个运放, 7 个电阻和 2 个电容组成. 仿照该结收稿日期: 2003- 10- 21 Q 值为:作者简介: 宁华申( 1962-) , 男, 湖南 隆回人, 隆回县第二中学一级教师.R 6 R 5 R 2 C 2 第 1 期宁华申: 开关电容 滤波器的设计与应用27R 4 R 4 1+ +R 3 R 0 R 6 R 1 C 1Q = ( )1+R 5设图 1( a) 中: R 1 = R 2= R; C 1= C 2= C; R 5= R 6 = R; 则以上两式可简化为:1f = ( 1)器的类型. 从通带性质来分, 滤波器有四种基本类型: 低通滤波 器( LPF )、高通 滤波器 ( HPF) 、带 通滤 波器 ( BPF) 、带阻滤波器(HPE) . 此外, 在滤波器的设计中, 按 照不同的频域特性要求, 可又分为巴特沃斯型、契比雪 夫型、贝塞尔型和椭圆型. 巴特沃斯型要求传递函数 中, 分母采用巴特沃斯多项式, 这种滤波器输出幅度随 频率增高单调减小, 具有最平坦通带幅频特性, 因此又Q =12( 1+R 3R 4+)( 2)称最大平坦型. 贝塞尔型要求传递函数分母为贝塞尔 多项式, 这种滤波器通带边界下降较缓慢, 但其相频特 图 2( a) 为连续有源滤波器的标准积分电路, 其时 间常数取诀于无源器件 R 、C 输出与输入的关系为:性接近线性, 具有最佳的相位特性, 放又称为线性相位 型. 椭圆型滤波器的幅频特性在通带内都是波动的, 即 $VP$T = - V IN PRC( 3)过渡带最陡. 若传递函数分母采用契比雪夫多项式, 则为:由( 1) 式可得, 二阶连续有源滤波器的中心频率 为契比雪夫型, 其特点是通带增益有起伏( 纹波) , 因此 也叫纹波型, 这种滤波器与贝塞尔型和已特沃斯型滤 f o = 1P2 PRC( 4)波器相比通带边界下降较快, 与椭圆型滤波器相比通 图 2( b) 为反相型开关电容积分器, 它用两个模拟 开关 S 1、S 2 和一个电容 C 1 构成的开关电容网络替代了 标准积分器中的 R. 图 2( c) 中, 当开关 S 1 闭合时, 电容 带边界下降较快, 与椭圆型滤波器相比具有较平的通 带幅频特性.表 1 Maxi m 滤波器选择表C 1 被 V 1 充电; 当开关 S 2 闭合时, 电容 C 1 储存电荷为: 型 号 类 型 阶 数 截止频率 q c = C 1( V 1 - V O ) . 在一个周期内, 由输入端流向输出端 的平均电流为:I = qcPTc = C 1( V 1 - V o ) f CLK当输入时钟频率 f CLK 足够高时, 可以认为这个过程 是连续的, 好象是输入端与输出端存在一个等效电阻, 其值为: R eq = I/C 1f CLK 代入( 3) 式得:$VP$T = - V IN f CLK C 1PC 2如将 R eq 代入( 4) 式, 可得出二阶开关电容滤波器 的中心频率为: f o = f CLK C 1P2PC 2 ( 设图 1( b) 中, R 2= R 4) . 通过改变电容比值 C 1/ C 2 或时钟频率可控制滤波器中 心频率 f CLK 应大于信号的频率的 2 倍以上. 通常选择时 MAX7400 MAX7403 MAX7404 MAX7407 MAX7408 MAX7409 MAX7410 MAX7411 MAX7412 MAX7413 MAX7414 MAX7415椭圆 椭圆 椭圆 椭圆 椭圆 贝塞尔 巴特沃斯 椭圆 椭圆 贝塞尔 巴特沃期 椭圆8 8 8 8 5 5 5 5 5 5 5 51Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz钟比( f CLK : f o ) 为 50: 1 或 100: 1, 当 f CLK : f o = 50: 1 时, C 2/ C 1 U8, 当 f CLK : f o = 100: 1 时, C 2/ C 1 U16.与连续有源滤波器相比, 开关电容滤波器可以提 供较稳定的中心频率 f o . 一般在集成电路中, 电容比值 的精确度可以控制在 0. 1% 以内, 改变电容比能够较精 确的控制中心频率 f 0 ; 在对滤波器中心频率要求较高的 场合, 可选用外部时钟控制方式, 如利用稳定的晶体振 荡器, 在时钟频率不是很高时, 可以获得稳定的外部时 钟, 从而精确、稳定地控制中心频率 f 0. 另外, 由于开关 电容滤波器实质上是将时间上连续的模拟信号离散 化, 因此输出波形不是很光滑, 图 2( b) 通过外加无源 RC 滤波可改善其输出特性. 另需注意的是: 由于开关的 影响, 系统会存在一定的噪声.3 滤波器的类型,表 1 为Maxim 公司推出的多种新型开关电容滤波 器, 它们分别为 8 阶、5 阶低通滤波器, 工作在 5V 或 3VJ 电源, 电流损耗仅 1. 2mA, 允许角频率为 1Hz~ 15Hz, 输 出失调电压为 ? 4V, 关断模式可将电流降至 0. 2mA, 时 钟比为 100: 1.该类电路具有两种时钟工作模式: 内部( 由外部电 容设置时钟频率) 和外部时钟模式( 用于精确控制角频 率的系统) . 失调调整引脚可以调整输出直流电平.通常高阶开关电容滤波器是由双二阶滤波器级联 实现的, 其结构比较简单, 但各单元因元件失配产生的 误差仅仅影响其本身的极/ 点, Q 值要求较高时, 滤波器 对各部分参数值的变化较敏感. Maxim 的开关电容滤彼 器采用带有加法器和比列器的积分器模拟无源阶梯滤 波器( 图 3) 设计方案, 将局部失配产生的误差分散到所28邵阳学院学报( 自然科学版)第 1 卷MAX7410/MAX7414 低通巴特沃斯型滤波器可提供 最大带内平坦度, 适用于要求通带内偏离直流增益较 小的仪器.低通椭圆型滤波器( 参见表 1) 具有较陡的过度带, MAX7411/MAX7412 在提供 37dB 的阻带抑制时能够保 证其过渡比为 1. 25, MAX7408/MAX7412 具有 53dB 的阻带抑制, 过渡比为 1. 6, 适用于窄带滤波器设计. 适用于 图 3 5 阶阶梯滤波网络DPA 转换器的后滤波及 am 转换器抗混叠, 典型应用如 图 4 所示.4 设计考虑选用Maxim 开关电容滤波器进行设计时, 其输入信 号幅度不要过小, 也不要过大, 以避免较大的失真与噪 声, 相应型号的数据手册提供了输入信号幅度与噪声图 4典型应用+ 失真的对应关系曲线图, 可作为设计参考. 选用外部 的时钟控制方式时, 一般用 40% 至 60% 占空比的时钟, 转角频率与时钟频率的关系为: f C = f CLK P100. 用内部时 钟方式时, 转角频率与外接电容成反比, 可参考有关型 号的数据手册进行设置. 应用电路如图 5 所示, 图中 COM 引脚用于设置共模输入电压, 内部分压电路将其 设置在电源电压的中心位置. OS 为失调调节输入引脚, 用于调整输出直流电平, 不需要调节时可直接将其接 到 COM 引脚, 这里 V OUT = (V IN - V COM ) + V OS , 式中 V COM 典型值为 V DD P2, ( V IN - V COM ) 经低通开关电容滤波器滤 波, V OS 叠加在输出级. 实际应用中应注意 V OS 、V COM 电压的有效范围, 调节过大会影响滤波器的动态范围.图 5 典型连接图MAC7409/MAX7413 贝塞尔型( Bessel) 滤波器输入 与输出间的延迟时间保持恒定, 与信号频率无关, 频率 响应具有较陡的下降沿, 建立时间较快. 多应用于多选 Maxim 该系列产品可采用单电源供电, 也可采用双 电源供电. 当需要用双电源供电时, 可将 COM 接到系统 端, 而 GND 脚接负电源, 其滤波器性能与单电源供电相 同.参考文献:开关与 A/ D 之间, 以消除混叠效应, 抑制输入信号频谱 中的杂散分量和串模干扰.[ 1]姜 威, 罗略军. 开 关电器 滤波 器的 应用[ M ] . 北 京: 国 外电子元器件杂志出版 社, 1999.。
开关电容滤波器详解
图 6 幅频响应曲线
2、在实际开关电路中输入幅值 100mv，频率分别为 500Hz，1kHz，5kHz 的的正弦波信号，
C4 20p
得到三个暂态响应如分别下图 7、图 8、图 9。
图 7
500Hz 时的暂态响应
图 8
1kHz 时的暂态响应
图 9
5kHz 的暂态响应
可以看到 500kHz 时， 输出信号幅值约为 100mv， 没有衰减。 1kHz 时， 输出信号幅值约为 700mv， 衰减了大约-3db。5kHz 时，输出信号的幅值只有 20mv 左右，衰减了很多。另外 5kHz 时可 以明显看到输出波形中有明显台阶， 这是因为在 100kHz 的开关频率下， 输入 5kHz 的正弦波， 则每个周期只包含 20 个台阶，所以看起来很明显，输入正弦波频率越低，则每个周期包含 的台阶数越多，看起来越不明显。注意以上的结果只是在一阶的情况下，如果将多个一阶滤 波器串联则可以得到高阶滤波器。这里将 4 个一阶滤波器串联，输入一个 1kHz 的方波验证 其滤波效果，如下图 10。v(3)~v(6)，分别是 1~4 阶滤波器的滤波输出，v(2)是输入的方波。 可以发现，滤波器的阶数越高，输出的波形越接近正弦波。
图 10
正弦波滤波效果验证
四、感想 通过此次作业我学会了写电路网表、使用 hspice，复习了开关电容的相关知识，增进了 对电路的理解。在不断修改电路参数的过程中，我体会到了模拟电路设计中的魅力 ----在不 断取舍中获取最佳的效果。例如开关如果采用传输门的形式它的导通电阻会比单个 nmos 管 小很多，且宽长比越大，导通电阻越小，但是这会带来更大的寄生电容，且后者对电路的影 响更大。因此在反复实验后我选择了最小宽长比的 nmos 作为开关。同样，如果取开关的工 作频率越高，每个正弦波周期里包含的台阶也会越多，但过高的开关频率，对 nmos 管的开 关速度带来了考验，因此最后折衷选取了 100kHz 的开关频率。
max29X
8阶开关电容滤波器MAX29X 系列的应用设计摘要:MAX29X 是美国MAXIM 公司生瓣的8阶开关电容低通滤波器,由于价格便宜、使用方便、设计简单，在通讯、信号自理等领域得到了广泛的应用。
本文就其工作原理、电气参数、设计注意事项等问题作了讨论，具有一定的实用参考价值。
关键词：开关电容、滤波器、设计1 引言开关电容滤波器在近些年得到了迅速的发展，世界上一些知名的半导体厂家相继推出了自己的开头电容滤波器集成电路，使形状电容滤波器的发展上了一个新台阶。
MAXIM 公司在模拟器件生产领域颇具影响，它生产的MAX291/292/293/294/295/296/297系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便（基本上不需外接元件）、设计简单（频率响应函数是固定的，只需确定其拐角频率即截止频率)、尺寸小（有8-pin DIP 封装）等优点，在ADC 的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。
MAX219/295为巴特活思（型滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。
MAX292/296为贝塞尔（Bessel ）滤波器，在通频带内它的群时延时恒定的，相位对频率呈线性关系，因此脉冲信号通过MAX292/296之后尖峰幅度小，稳定速度快。
由于脉冲信号通过贝塞尔滤波器之后所有频率分量的延迟时间是相同的，故可保证波形基本不变。
关于巴特活和贝塞尔滤波器的特性可能图1来说明。
图1的踪迹A 为加到滤波器输入端的3kHz 的脉冲，这里我们把滤波器的截止频率设为10kHZ 。
踪迹B 通过MAX292/296后的波形。
从图中可以看出，由于MAX292/296在通带内具有线性相位特性，输出波形基本上保持了方波形状，只是边沿处变圆了一些。
方波通过MAX291/295尖峰(overshoot)和铃流(ringing)。
MAX293/294/297为8阶圆型（Elliptic ）滤波器，它的滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以作得很窄。
开关电源EMI滤波器原理和设计研究
开关电源EMI滤波器原理和设计研究开关电源EMI滤波器是用来减少开关电源产生的电磁干扰(EMI)的一种装置。
EMI是指开关电源工作时产生的高频干扰信号，可能会对其他电子设备、无线通信和无线电接收产生干扰，影响它们的正常工作。
EMI滤波器通过合理设计，能有效地抑制开关电源产生的EMI信号，从而减少对其他设备的干扰。
EMI滤波器的原理是基于电流和电压的相位关系来实现的。
开关电源在工作时会产生高频电流脉冲，而这些电流脉冲会通过开关电源输入端的电容等元件，从而形成高频电流回路。
EMI滤波器通过给开关电源输入端加上一个电感元件，阻断高频电流回路的形成，从而减小EMI信号的辐射。
设计EMI滤波器时需要考虑以下几个因素：1.工作频率范围：EMI滤波器需要在开关电源产生EMI信号的频率范围内有效工作。
根据具体的应用环境和要求，选择合适的滤波器工作频率范围。
2.滤波特性：滤波器需要具有良好的滤波特性，对于较高频率的EMI信号能够有较好的抑制效果。
常用的滤波器类型有低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
3.过渡区域：滤波器在过渡区域需要平衡阻抗和频率之间的变化。
过渡区域越宽，滤波器的性能越好。
过渡区域的宽度需要根据具体要求进行设计。
4.安全和可靠性：EMI滤波器需要满足安全和可靠性的要求。
在设计过程中，需要考虑电源参数范围、电流和电压的安全范围等因素，以确保滤波器的稳定性和可靠性。
设计EMI滤波器的方法有多种，可以根据需求选择不同的设计方法。
常见的方法包括线性滤波器设计、Pi型滤波器设计和C型滤波器设计等。
其中，Pi型滤波器是应用最广泛的一种，它由两个电感和一个电容组成，能够对高频信号进行抑制。
总之，开关电源EMI滤波器的原理和设计研究是为了降低开关电源产生的电磁干扰，保证其他设备的正常工作。
通过合理的滤波器设计和选择合适的滤波器类型，可以有效地减少EMI信号对其他设备的干扰，提高系统的抗干扰性能。
基于CPLD的开关电容组式跟踪滤波器设计与实现
ｗ ｏ ｒ ｋ ｗｅ ｌ ｌ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｂ ａ ｎ ｄ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ １ ＭＨｚ ｔ ｏ ３ ０ ＭＨｚ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ ｒ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ３ ｄ Ｂ ｂ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ｉ ｓ ３ ０ ０ ｋ Ｈｚ ｔ ｏ ７ ０ ０ ｋ Ｈｚ ，ｗ ｉ ｔ ｈ
Ｐ ｅ ｎ ｇ Ｙｏ ｎ ｇ ｂ ａ ｎ ｇ， Ｓ ｕ ｎ Ｆ ｅ ｎ ｇ ｌ ｏ ｕ， Ｌ ａ ｎ Ｊ ｉ ａ ｐ ｉ ｎ ｇ， Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｋｕ ｎ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ —Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ ｒ Ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ）
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ －ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ － ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ－ ｓ ｔ ｙ ｌ ｅ
开关电容滤波器的系统设计与实现
摘要：通过合理选择滤波器的类型和阶数，利用低Q 值二级滤波器放在高Q 值二级滤波器的前级，给每一级分配不同的增益使得每一级的输出峰值相同。
从开关电容电路的原理入手，分析了开关电容电路和电容编程阵列，最终设计一个可编程开关电容6 阶带通滤波器。
选择合适的运算放大器参数。
可编程滤波器系统共需3 路时钟控制，滤波器编程参数控制模块用于实现芯片内部程序存储器编程控制。
通过对设计的开关电容滤波器进行仿真，结果基本与设计目标吻合。
开关电容滤波器（Switch Capitor Filter，SCF）是一种由MOS 开关、电容器和运算放大器构成的离散时间模拟滤波器，实际应用中，该滤波器可与其他电路集成在同一个芯片上，通过外部端子的适当连接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使用，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不高，其应用范围目前仅限于音频频段。
但随语音/数据通信及微电子测量仪器领域内对单片集成MOSFET 有源滤波器的需求剧增，促使了开关电容滤波器的研究与开发，特别是高阶SCF。
因此，这里提出一种开关电容滤波器的系统设计方案。
1 开关电容滤波器的选型1.1 类型选择这里所设计的开关电容滤波器是应用于电力线信号传输，传输信号频率为57.6±16、76.8±16 和115.2±16 kHz，所以需要将电力线上的低频噪声（包括电力线上50 Hz 的电源信号）滤除，同时还需要滤除各种不可知的高频噪声。
这样带通滤波器成为最佳选择。
滤波器的理想滤波特性是，通带内信号完全无衰减通过，阻带内信号完全衰减。
但实际应用中，理想的滤波器是不存在的，只能用传输函数近似表达其滤波特性。
根据对滤波器特性的不同要求，选择不同形式的近似函数，从而得到常用的滤波器：巴特沃思（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器、椭圆函数（Elliptic Function）滤波器。
开关电容(SC)滤波器设计和应用
而 电流 为 ：ｉ （） Ｃ ｔ ／ Ｃ Ｃ ｖ （） ２ｔ ］ Ｔ ，可见 基本 开关 电容 ｃ ｔ ＝Ａｑ （） Ｔ ＝ ［１ｔ ｖ （） ／ ｃ 单元 可 以等效为 一个 电阻Ｒ ｃＣ ￣Ｔ／ ，其优 点是在集 成 电路 中可 以用很 小的 芯
关键词 ： 模拟 滤波器：开关 电容 ；音频滤波器 中图分类号 ：Ｔ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１ ７ － ７ ９ ２ １ ）０ １ ０ ０ ０ Ｎ １ ５ ７（０ ０ ７ ０ ５ － １ ６
在信 号 处理 中 ，滤 波 器 占有 十 分 重要 的地位 ，它对 实 际 信 号进 行 过 滤 ，提取 有效 信号 、抑 制干 扰噪 声 。模拟 滤波 器应 用 于各种 模拟 信 号处理
简化了开关电容电路的分析和设计 。
２开 关电窖 （ ＣＪ Ｓ 滤波器 的设 计
ｌ
Ｒ１
在模拟 电路 中经 常涉 及到 电路 的频率 特性 、延 时特 性等 ，这些 电路 性 能与 电路 的 时间 常数有 关 ，这些 时 间常数 多 由 电路 中 的元件 参 数 电感 、 电 阻、 电容 来确 定 。在模拟 集 成 电路 中，制 作 电感是 困难 的 ，所 以多采 用 电
图１ 基本 开关 电容单 元
语音信 号 以外 的各 种杂 波 。５ｔ 抑制 滤波 器 是话 路滤 波器 组成 部 分之 一 ， ０ｚ ｔ 亦称 ５Ｈ 陷波器 。它采 用 由加法 器和 积分 器 构成 的状 态变 量滤 波器 结构 ， ０ｚ 可 以用 来 抑制 电源 的干 扰 。 由于 陷波 频 率低 ，要 求很 大 的时 间常 数 。为节 省芯 片面 积 ，采用 开关 电容 技术 实 现 。图４ ａ所 示是 ５Ｈ 抑制 滤波 器 的有 （） ０ｚ 源 Ｒ原 型 电路， 图４ｂ所 示是 其对应 的 开关 电容滤 波器 电路 。 ｃ （）
开关电容滤波器基本原理
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1（a）所示是一个有源RC积分器。
在图1（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1（c）]。
假定时钟频率fc(=1/Tc)远高于信号频率，那么，在φ1为高电平时，T1导通而T2截止[见图1（d）]。
此时C1与输入信号vI相连，即有：qC1=C1vI而在φ2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1（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）。
(a)有源RC积分器(b)开关电容积分器(c)两相时钟(d)在f1为高电平时，vI向C1充电（e)在f2为高电平时，C1向C2放电图1。
八阶低通椭圆型开关电容滤波器及其应用上课讲义
八阶低通椭圆型开关电容滤波器及其应用滤波器是电子电路中应用最广泛的器件之一，从简易的电阻电容模拟滤波器到复杂的数字集成电路滤波器，在高新电子产品以及智能化仪器仪表中，到处可见其活跃的身姿。
MAX293/294/297是美国MAXIM公司推出的八阶低通椭圆型、开关电容滤波器，采用输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对模拟信号和数字信号的滤波。
可广泛地应用于小信号数据采集系统滤波、抗混迭滤波、模数变换后置滤波及声音数据信号滤波等场合，其滤波原理和设计简单，在很大程度上，将电子电路设计者从烦琐的模拟滤波器设计中解放出来。
本文主要介绍其原理及其在机载式轨道质量智能监测装置中的过绝缘机信号频率滤波及模电压信号滤波中的应用。
一、基本特性1.主要特点(1)八阶低通椭圆型滤波器；(2)时钟可调转角频率范围:0.1Hz到25kHz(MAX293/294)，0.1Hz到50kHz(MAX297)(3)时钟对转角频率比：100：1(MAX293/294)，50：1（MAX297）；(4)不需要另接外部电路；(5) 内部或外部时钟；(6) 可在+5V单电源或€?V双电源条件下工作；(7)用于抗混迭或时钟噪声滤波的独立运放；(8)8脚DIP或16脚宽SO封装。
2.管脚说明8脚DIP和16脚封装管脚功能如表1所示。
3.典型工作电路典型工作电路如图1所示（针对8脚DIP封装）。
二、使用说明按照0.1Hz到25kHz(MAX293/294)或0.1Hz到50kHz（MAX297）的转角频率构成。
MAX293/297的1.5过渡比提供了锐变倾斜缘和-80dB阻带衰减，MAX294的1.2过渡比则提供了最陡峭的倾斜缘和-58DB阻带衰减。
此三种滤波器都有固定的响应，所以设计任务仅限于选择控制着滤波器转角频率的时钟频率。
此滤波器可采用一外接电容产生的内部振荡器的时钟信号，或者直接采用外接时钟信号。
为了构成用于后置滤波或抗混迭的连续时间低通滤波器，MAXIM公司设置了一个独立的运放（非反向输入端接地），其陡的倾斜缘和高的阶次，使得该系列滤波器特别适合于需要最大通带的抗混迭以及需要滤去频率范围内紧邻信号的通讯场合。
重点讲解滤波器原理开关电容滤波器原理
讲解滤波器原理开关电容滤波器原理对于滤波器原理，很多朋友充满好奇。
但对于不同类型滤波器而言，其滤波器原理往往有所不同。
所以对于滤波器原理的学习，需尽可能多的了解各式各样的滤波器。
本王中，将主要为大家讲解开关电容滤波器原理，并带来与开关电容滤波器相关的内容。
对于滤波器原理，很多朋友充满好奇。
但对于不同类型滤波器而言，其滤波器原理往往有所不同。
所以对于滤波器原理的学习，需尽可能多的了解各式各样的滤波器。
本王中，将主要为大家讲解开关电容滤波器原理，并带来与开关电容滤波器相关的内容。
1. 简介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。
2. 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。
开关电容滤波器的设计与应用研究
应用 于 电力 线 路 信 号 的 传输 ， 传 输 的 信 号 频 率 范 围 分 别 为 ４ ．＿ ６ Ｈ ，４８ １ｋ ｚ １８ ＿ ６ Ｈ ， 此需 要 将 电力 线 路 上 的低 所 ８ ＋ ｋ ｚ６ ．＋ ６ Ｈ 和 ０ ． １ｋ ｚ 因 ６１ ２ ＋
频 噪声 滤 除 ， 时 还需 要 考 虑 将 不 可 知 的高 频 噪 声 信号 滤 除 。为 了满 足 这样 的条 件 ， 选 择 了 带通 滤 波 器 。常 用 的 滤 波器 型 号 有 三 同 就 种 ： 比雪 夫 （ ｈ ｂ ｓ ｅ ） 切 Ｃ ｅ ｙ ｈ ｖ 滤波 器 、 巴特 沃思 （ ｕｔｒ ｏ ｈ 滤 波 器 、 圆函 数 （ ｌｐｉ Ｆ ｎ ｔ ｎ 滤 波 器 。由 于 电力 线 通 常所 接 触 的 周 围 Ｂｔ ｗｒ ） ｅ ｔ 椭 Ｅｌ ｔ ｕ ｃｉ ） ｉ ｃ ｏ 环 境 比较 复杂 ， 噪声 源 很 多 ， 以往 往 电力 线 上 的 噪 声 能 量 很 高 ； 其 是 在 低 频 部 分 ， 噪 声 能 量 通 常 可 以 比信 号能 量 大 很 多 倍 ． 所 尤 其 这 种 情 况 也是 很 常 见 的 。因此 考 虑 到 电 力 线路 通 讯 中的 信 号与 噪声 特 性 ， 就 要 求所 设 这 一
摘要 ： 可编 程 开 关 电容 滤 波 器 具有 高灵敏 度 、 作性 强 、 高 的 可 靠性 和 高精 密度 等 特 点 ， 于 实际应 用具 有 重要 研 究意 义 该 文首 操 较 对
先从“ 开关 电 容 滤波 器类 型 的 选择 及 实现 、 可编 程 开 关 电 容 带 通 滤 波 器 的 实现 、 算放 大 器 的设 计 、 件设 计 总体 结 构 ” 个 方 面论 运 软 四
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开关电容滤波器的分析与运用
开关电容滤波器的分析与运用刘新;杨虹;陈海燕【摘要】开关电容作为一种实现有源滤波器的技术在电路设计中的运用与日俱增,首先阐述了开关电容的基本概念,接着对开关电容滤波器进行分析,然后对一个具体的一个二阶低频开关电容滤波器进行了详细讨论,最后采用台机电(TSMC)公司的tsmc024(0.24μm CMOS工艺)进行设计,经过了一系列的优化和仿真工作,得出了比较好的结果.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)006【总页数】3页(P6-8)【关键词】开关电容;滤波器;集成电路;tsmc024【作者】刘新;杨虹;陈海燕【作者单位】重庆邮电大学,重庆,400065;重庆邮电大学,重庆,400065;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳,621010【正文语种】中文【中图分类】TN7131 引言开关电容在1972年问世以来，他在电路设计中的运用与日俱增，这主要是与高质量高精度的MOS电容和MOS开关的实用性分不开的。
MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电容组成，电路在时钟信号控制下，完成电荷的储存和转换。
他和运算放大器、比较器等基本电路组合起来，可以构成多种基本的SC电路。
比如SC等效电阻电路、SC积分电路、SC滤波电路等。
开关电容电路的发明使基于MOS工艺的全集成的大规模模拟电路成为现实，而且开关电容电路最具吸引力的地方在于数字化可编程，这主要通过使用MOS电容阵列或者改变他们的时钟频率实现。
开关电容作为一种实现有源滤波器的技术，颇受欢迎，他能比早期的有源RC滤波器精度更高，密度更大。
特别是在低频运用中，开关电容日益盛行，早已扩展到更为通用的信号处理中使用，而且更进一步用来完成完整的采样数据系统，但是到了20世纪80年代中期，以前使用开关电容的系统开始寻求采用数字信号处理解决问题。
虽然数字信号处理方法通常能耗大、硅片面积可利用率低，但他能提供良好的时价比，较容易进行计算机辅助设计，测试方法简单，并且随着VLSI(超大规模集成电路)特征尺寸减小，复杂度增加，以至于一个完整系统可以集成在一个硅片上，也就是SOC(片上系统)，这就改变了开关电容的作用。
开关电容滤波器
3.1.4电容滤波器应用实例
部分单片滤波器型号和生产厂家
单片滤波器型号
结构与功能
生产厂家
MF10
双2阶通用开关电容滤波器（SCF）
National S关电容单元
串联开关电容单元
一阶低通滤波器
Uo以阶梯波向Um逼近
一阶低通滤波器的时间常数
SCF的特点
MOS集成技术能使SC接近于理想时间常数。Uo的跳变以及时间常数只取决于电容比值，而与绝对值无关 决定开关电容电路的本质行为是各个电容器中的电荷转移。
MAX26X系列
可编程通用SCF（带微处理机接口）
Maxim
UAF42458
有源滤波器（100KHz）FIR（Finite Impulse Response）滤波器
Burr Brown NCR
74HCT297
数字锁相环滤波器
Philips
AD896
可编程Bessel滤波器
Analog
ML2110
双 2阶通用 SCF
小结
精密检波电路 精密半波检波电路的电路组成，工作原理； 几种全波电路，各自的优缺点。 鉴相电路： 几种鉴相电路，各自的特点，测量范围；
小结
积分器： 积分器的工作原理（推导、计算），积分器的误差分析（积分漂移）； 电压比较器的特性分析，画传递函数特性曲线，求比较点，根据输入画输出波形等。
Micro Linear
SCF(开关电容滤波器)的特点使用电容和模拟开关代替电阻，通过调整频率来调整电阻值的变化。 SCF的兴起，对滤波器的生产和设计都带来了革命性的变化。各种程控的、高性能的滤波器层出不穷。 SCF的设计可以用专门的软件，也可设计成智能化的、调节方便的特色滤波器电路。
开关电容滤波器实验
实验四 开关电容滤波器实验一、实验目的 1、熟悉及掌握集成开关电容滤波器的构成原理及应用 2、掌握滤波器的滤波特性 二、实验原理及电路1、集成滤波器MF10芯片简介集成滤波器MF10芯片内部框图及其引脚图如图10-1所示开关电容集成滤波器MF10是一种通用型开关电容滤波器集成电路，依外部接法不同，可实现低通、高通、带通、带阻和全通等滤波特性。
开关电容集成滤波器无需外接决定滤波频率的电阻和电容，其滤波频率仅由输入时钟clk f 决定，通常时钟频率clk f 应高于信号频率的50倍或100倍。
其内部集成了两组MF5，两个MF5既可分别构成两个独立的二阶开关电容滤波器，又可级联成四阶开关电容滤波器。
其内部框图及引脚图如图10-1所示，第4（17）脚为内部运放反相输入端A INV （B INV ）；第5（16）脚为求和输入端SIA （SIB ）；第1（20）脚为低通输出端LPA （LPB ）；第2（19）脚为带通输出端B PA （B PB ）；第3（18）脚为带阻/全通/高通输出端)HPB /AP /N (HPA /AP /N ，第10（11）脚为时钟输入端)CLKB (CLKA ；图10-1MF10内部框图及引脚图第12脚用于设定时钟频率clk f 与滤波器的频率0f 的比值；当第12脚接高电平时，500=f f clk ，则500clk f f =；接地时，1000=f f clk ，则1000clk ff =；只要在时钟输入端)CLKB (CLKA 控制输入的时钟频率，就可以改变滤波频率，这样可以实现滤波频率的数字控制。
滤波器的Q 值通过外接电阻设定。
2、电路说明实验电路原理图如图10-2所示。
短接1J 的1-2，2J 的1-2，3J 的2-3，4J 的1-2时，则构成二阶低通滤波器； 短接1J 的1-2，2J 的1-2，3J 的2-3，4J 的4-5时，则构成二阶高通滤波器； 短接1J 的1-2，2J 的1-2，3J 的2-3，4J 的2-3时，则构成二阶带通滤波器； 短接1J 的2-3，2J 的1-2，3J 的1-2，4J 的4-5时，则构成二阶带阻滤波器； 短接1J三、实验设备1、测控电路（二）实验挂箱2、函数信号发生器3、虚拟示波器 四、实验内容及步骤 1、测控电路(二)实验挂箱接入5V ±直流电源；2、时钟信号的观察把“U10 开关电容滤波器”单元的“时钟信号”端接入示波器，观察时钟信号的波形； 3、调节信号发生器，使之输出正弦信号，接入输入端，输出端接示波器，按照前面“电路说明”部分，通过切换短路帽分别接成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，用虚拟示波器同时观察输入信号与输出信号，改变输入信号的频率，记录输出信号的幅度及相位随输入信号频率变化的情况。
开关电容8阶滤波器MAX29X应用设计
8阶开关电容滤波器MAX29X 系列的应用设计摘要:MAX29X 是美国MAXIM 公司生瓣的8阶开关电容低通滤波器,由于价格便宜、使用方便、设计简单，在通讯、信号自理等领域得到了广泛的应用。
本文就其工作原理、电气参数、设计注意事项等问题作了讨论，具有一定的实用参考价值。
关键词：开关电容、滤波器、设计1 引言开关电容滤波器在近些年得到了迅速的发展，世界上一些知名的半导体厂家相继推出了自己的开头电容滤波器集成电路，使形状电容滤波器的发展上了一个新台阶。
MAXIM 公司在模拟器件生产领域颇具影响，它生产的MAX291/292/293/294/295/296/297系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便（基本上不需外接元件）、设计简单（频率响应函数是固定的，只需确定其拐角频率即截止频率)、尺寸小（有8-pin DIP 封装）等优点，在ADC 的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。
MAX219/295为巴特活思（型滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。
MAX292/296为贝塞尔（Bessel ）滤波器，在通频带内它的群时延时恒定的，相位对频率呈线性关系，因此脉冲信号通过MAX292/296之后尖峰幅度小，稳定速度快。
由于脉冲信号通过贝塞尔滤波器之后所有频率分量的延迟时间是相同的，故可保证波形基本不变。
关于巴特活和贝塞尔滤波器的特性可能图1来说明。
图1的踪迹A 为加到滤波器输入端的3kHz 的脉冲，这里我们把滤波器的截止频率设为10kHZ 。
踪迹B 通过MAX292/296后的波形。
从图中可以看出，由于MAX292/296在通带内具有线性相位特性，输出波形基本上保持了方波形状，只是边沿处变圆了一些。
方波通过MAX291/295尖峰(overshoot)和铃流(ringing)。
MAX293/294/297为8阶圆型（Elliptic ）滤波器，它的滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以作得很窄。
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开关电容滤波器的设计与应用
吴 猛
(中国兵器工业第214研究所 蚌埠 233042)
摘 要 本文介绍了开关电容滤波器的结构与工作原理,并对美国L I N E AR 公司开关电容滤波器器件LTC1068系列具体应用做了介绍。
关键词 开关电容 滤波器
1 引 言
开关电容滤波器是利用开关电容网络构成的滤波器,它的出现促进了有源滤波器的集成化,随着集成电路制造工艺水平的提高,集成开关电容
滤波器的尺寸变得越来越小,设计也越来越简单,已大量运用到通讯及其他数字化系统。
目前,国际市场上开关电容滤波器件主要是美国MAX I M 和L I N E AR 公司生产的MAX29X 和LT C1068系列。
本文将介绍L I N EAR 公司LT C1068
的原
图1 LTC1068结构图
第23卷第4期2005年12月 集成电路通讯
J ICH EN GD I ANLU TON GXUN
Vol .23 No .4
Dec .2005
理及应用。
2 LTC1068电路结构
美国L I N E AR公司的LTC1068系列是低噪
声、高精度的通用滤波器组合模块,由4个相同的2阶开关电容滤波器单元组成。
内部结构如图1所示:
LT C1068系列芯片之间差别仅仅是时钟频率与中心频率之比(f
CLK
/f O)不同,单块芯片可以被设计成2阶、4阶或8阶滤波器。
L I N ERA公司
的开关电容滤波器按固定标称比f
CLK
/f O而设计。
多数应用场合设计滤波器要求不同的f
CLK
/f O,可通过用外部电阻和不同的连接方式加以解决。
3 引脚功能及技术特点
3.1 引脚排列
引脚排列如图2所示
:
图2 LTC1068引脚图3.2 引脚功能
LTC1068引脚功能如表1所示:
表1 LTC1068引脚功能
引脚序号符 号功 能引脚序号符 号功 能1I N VB信号反相输入端28I N VC信号反相输入端
2HP B/NB信号高通输入端27HPC/NC信号高通输入端
3BP B信号带通输入端26BPC信号带通输入端
4LP B信号低通输入端25LPC信号低通输入端
5S B求和端24SC求和端
6NC空脚23V-负电源
7AG ND数字地22NC空脚
8V+正电源21CLK时钟信号输入端
9NC空脚20NC空脚
10S A求和端19S D求和端
11LP A信号低通输入端18LP D信号低通输入端
12BP A信号带通输入端17BP D信号带通输入端
13HP A/NA信号高通输入端16HP D/ND信号高通输入端
14I N VA信号反相输入端15I N VD信号反相输入端
3.3 技术特点
a.工作电压可选择双电源±5V,单电源5V 或3.3V;
b.2阶滤波器中心频率误差±0.3%(典型
13
第23卷第4期 集成电路通讯
值)和±0.8%(最大值);
c .低噪声(2阶滤波器节,Q =5时)
LTC1068-200为50
μV RM S ;LT C1068为50
μV RM S ;LTC1068-50为75μV RM S ;LTC1068-25为90
μV RM S ;d .低功耗(
工作电压5V ),LTC1068-50工作
电流为4.5mA 。
4 工作原理
开关电容滤波器利用MOS 开关电容来模拟有源滤波器中的阳性元件,其等效模拟电阻值受外部时钟频率控制,改变外部时钟频率就可改变
R 、C 时间常数,从而达到改变滤波器截止频率的
目的。
图3为一阶RC 有源低通滤波器。
图3 一阶有源低通滤波器
一阶低通开关电容滤波器原理如图4所示:
图4 一阶开关电容滤波器
图中S1、S2为MOS 模拟开关,它们分别受两相不重叠时钟<1和<2的控制,C1为开关电容,在外部时钟<1和<2的作用下可等效为图3中的电阻R,等效阻抗与时钟频率相关。
C 为积分电容。
在第一个时钟半周期,<1为高电平,<2为低电平,则S1闭和,S2断开,输入电容C1被充电至Vin 。
在第二个时钟半周期,<1为低电平,<2为高电平,则S1断开,S2闭和,则C1上的电荷转移给积分电容C 。
在一个时钟周期内总转移电荷为:Q =C1×Vin 平均输入电流为:Iin =C1×V in ×f CLK 则C1的等效模拟电阻为:R in =1/(C1×f CLK )
开关电容滤波器的传递函数为:
H (S )=Y (S )/X (S )-C1×f CLK /SC 时间常数为:τ=R in ×C =C /(C1×f CLK )即开关电容滤波器的时间常数与两个电容之比和外部时钟频率有关。
在集成电路中,两个电容之比可视为两个电容面积之比,在现代半导体工艺中,其误差可控制在1%以内,且同一芯片上的两个电容受环境温度影响也大致相同。
由于时钟频率可以借助石英晶体震荡器来实现高精度和高稳定性,因而开关电容滤波器也具有较高的精度和稳定性。
5 设计及应用
5.1 开关电容滤波器器件的选型
2
3
集成电路通讯
第23卷第4期
在设计开关电容滤波器时,首先要考虑选择滤波器的类型。
从通带性质来分,滤波器有四种基本类型:低通滤波器(LPF )、高通滤波器(HPF )、带通滤波器(BPF )、带阻滤波器(BEF )。
此外,在滤波器设计中,按照不同的频域、时域特性要求,可分为巴特沃斯型(Butter worth )、契比雪夫型(Chebyshey )、贝塞尔型(Bessel )、椭圆型
(Eli p tic )。
美国L I N EAR 公司近来推出多种开关电容滤
波器件,其中LT C1068系列皆为由4个相同的2阶开关电容滤波器单元组成,单块芯片可以被设计成2阶、4阶或8阶滤波器。
不同型号的器件,适用于不同类型的滤波器,具体见表2:5.2 设计及应用
表2 LTC1068系列选择表型 号
滤波器类型阶 数
截止频率
LTC1068低通、高通
81Hz ～50k Hz LTC1068-25低通、高通84Hz ～200k Hz LTC1068-50带通、带阻82Hz ～30k Hz LTC1068-200
带通、带阻
8
0.5Hz ～15k Hz
5.2.1 设计软件
L I N E AR 公司为它的开关电容滤波器件设计
开发了专用软件Filter CAD 。
它功能强,使用简单,大大简化了设计。
Filter CAD 具有设计和分析双重功能,设计者不仅可以得到所需的设计电路,
还可以通过Filter CAD 对电路进行分析,掌握设计的滤波器的传输函数、频率响应、时域响应,从而更好地了解设计结果。
Filter CAD 菜单如图5所示:
该菜单有多项选择及设置。
可以选择滤波器
图5 Filter CAD 菜单
3
3 第23卷第4期
集成电路通讯
类型,输入滤波器的参数,包括通带增益、阻带衰减、中心频率、通带宽度及阻带宽度等,响应形式上可选择Butter worth 、Chebyshey 、Bessel 等六种。
5.2.2 应用实例
设计一个Butter worth 低通开关电容滤波器,参数要求如下:f P =20kHz;
f S =40kHz;Amax =0.1dB;带外抑制40d B ,
生成电路如图6所示:
图6 Filter CAD 设计生成的电路图
6 结束语
开关电容滤波器已经日益发展成为一个成熟而应用广泛的技术,利用专有的设计软件辅助设计,是电路设计简单方便,它改变了大部分模拟电路设计靠手工完成的现状,节约了设计师时间,提
高了工作效率。
参考文献
1 美国L I N EAR 公司产品资料.
2 陆明述.开关电容滤波器原理与设计.
科学出版社,1996.
4
3
集成电路通讯
第23卷第4期 。