Ch3-6-开关电容积分器
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3.10 开关电容(SC )滤波器
用开关和电容来仿真电阻,构成的有源滤波器。适于集成制造,具有精度高、
价格低、使用方便灵活的特点。此外还有:输入阻抗高、输出阻抗低、工作频率低(可达0.1Hz )、电路简单、易调节参数等优点。缺点是:有高频噪声产生、动态范围限制在80dB 左右、高频工作频率限制大约为200kHz 。 3.10.1 开关电容工作原理
开关电容工作原理
当开关S 1、S 2以较高频交替通断时,电源间歇向电容提供充电电流,从电源端看开关与电容部分相当于一个持续消耗电能的电阻。为保证电源不会短路,S 1、S 2可以采用以1S C 、2S C 为触发信号的MOS 型开关。
一个周期内,电源提供给电容的电荷量:S u C q ⋅=,若开关频率为S f ,则单位时间内电源提供的电荷量S S S f Cu f q Q =⋅=,平均电流S S f Cu T
q
i ==
, SC 网络入端等效电阻S
S Cf i u R 1==,如果用这样一个仿真电阻构成积分器如下图:
开关电容反相积分器
这里,开关1上的电容充电电流与开关2上的电容放电电流只在时间上相差
半个周期,其他均相同。
s f C
C C Cf s sRC s H S S
1
111
)(11
1
⋅-=⋅⋅-=-
=,积分常数S f C C 11=
τ,由于开关频率S f 可以调节,所以积分常数是可调的,并且积分常数由容量比决定,而不再与
具体电容值有关。
在制造集成SC 滤波器时,所用到的器件(电容、电阻、开关等)均采用MOS 技术实现,简化了制造工艺,有利于提高集成度。但是依赖于集成MOS 技术制造的电容,容量很难精确控制,误差会达到30%以上,不过依赖于同种制造工艺的电容,容量比却可以十分精确,精度可以达到0.1%以上。因此,借助于SC 来实现电阻的集成滤波器,集成度高而且很精确。
当一个集成的通用滤波器器件内部需要用到多个SC 仿真电阻时, 每个仿真电阻都有一个S f 控制端,这样就衍生出了可编程SC 滤波器,不改变器件结构,通过编程指令改变滤波器的性能和参数。 3.10.2 寄生电容问题
在SC 集成滤波器中,MOS 开关和电容的每个端子到地都有寄生电容存在,寄生电容的容量无法准确估计,有时寄生电容容量可以达到电容本身的10%,设计器件时应当尽量避免寄生电容对滤波器的性能及参数造成影响。
SC 反相积分器的寄生电容分布
1p C —开关S 1对地的寄生电容;
2p C —开关S 1、开关S 2、电容C 2的上极板对地寄生电容; 3p C —电容C 2下极板对地的寄生电容;
4p C —S 2和C 1上极板对地的寄生电容;5p C —C 1下极板对地寄生电容。
其中1p C 、3p C 、5p C 分别与输入电压源、短路线、输出端并联,对转移函
数无影响。
4p C 连接在“虚地”之间,在不考虑运放的非理想因素时,也无影响。而2
p C 与C 2并联,将影响积分常数。
1. 对寄生电容不敏感的反相积分器
对寄生电容不灵敏的反相积分器
与前例电路相似的由制造S 1、C 1、C 2带来的寄生电容因为不影响积分常数,所以未画出,图中只画出了由开关改造带来的新寄生电容21p p C C ''、,可见寄生电容21p p C C ''、对电容C 2的充电路径(S 1闭合时)和放电路径(S 2闭合时)均不产生影响,所以也不影响转移函数。
2. 对寄生电容不敏感的同相积分器——开关位置与反相积分器不同。
对寄生电容不灵敏的同相积分器
对积分环节而言,SC 构成的仿真电阻
R f C
R S -=-=21等效
,S f sC C C R s s H 1
21)(1)(=--=
3. 差分积分器
可以使用叠加定理分析。V 1单独作用时,V 2=0,积分器为反相积分;当V 2
单独作用时,V 1 =0,积分器是同相积分。所以,
)()(121
2112212V V f sC C
V f sC C V f sC C s H S S S -=⋅-⋅=
4. 开关电容二阶通用滤波器
等效电路
其中1111111C K f C K R S '==
,1414411C K f C K R S '==,2
52551
1C K f C K R S '-=-=-
②节点:0)1()1(
31164
121=++++V sC C sK R V C sK R V o in ④节点:
02235
3
=++-o in V sC V C sK R V
2
5456
2
2
515223545
62
515
2234
65
21
253
2
1)(S S S S in o f K K f K K s s f K K f K K s s K K K K K s s K K K K s s K K K s K s K K s K K s V V s H +⋅++⋅+-=''+'⋅+''+'⋅+-='+⋅+''+⋅+'-==
式中K 参数均为电容比值,滤波器特征参数只与电容比有关。
540K K f S =ω,
4
56
5456560
1
,
K K K K K K K Q K K f Q
S ===ω,通过适当设计1K 、2K 、3K 可以实现不同种类的滤波器。
3.10.3 通用SC 滤波器
基本组成:运放级、求和级、两个SC 积分器(积分常数K 可以由时钟频率控制),内置开关S (可以由外部控制)。有2个输入端子,3个输出端子。
通用集成SC 滤波器通过适当的外部连接可以实现各种不同的滤波特性。使用非常灵活。
以外接反馈环路的不同分三种工作模式来讨论。
1. 工作模式一:从V 3、V 5引入到运放输入端的反馈,同时从V 6接负反馈到求和级。