9-2 三种典型的滤波特性和开关电容滤波器精品PPT课件

MAX260是美国 MAXIM 公司生产的程控滤波器芯片，
可以通过微处理器编程控制滤波器的传递函数，不需要外接
元件即可构成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，简化
S1通
S2断
S1断
S2断
S1断
S2通
9.3.1 开关电容模拟电阻
1 S1
u1
2 S2
C
当开关S1闭合，S2断开时， u2 u1对C充电。
充电电荷 Q1 Cu1 。
1
S1
u1
C
2
当开关S2闭合，S1断开时，
S2
C放电。
u2
放电电荷Q2 Cu2 。
设开关的周期为TCP，节点从左到右传输的总电荷为：
2. 三种频率响应函数的比较
巴特沃思型低通滤波器的幅频响应:
H ( )
1
1 2 2n
n是滤波器的阶数
是决定最大通带起伏量的常数
/ c
c是-3dB的截止频率
巴特沃思型低通滤波器在通带内的频率特征是平坦无凹 凸的，并且在允许条件下可得到最大带宽。因此，巴特沃思 滤波器具有最大平坦特性，其阶数n越高，滤波响应曲线越 逼近理想模型。
C1 0.05647μF C2 0.08136μF C3 0.01451μF
贝塞尔型低通滤波器幅频特性的仿真
4. 滤波器的瞬态特性
——与滤波器传递函数的相频特性有关，瞬态特性表示 滤波器输入非正弦波信号时的响应
滤波器会产生一个与频率有关的相位偏移，如果相 位与频率之间是线性关系，那么滤波器仅使信号延时一 个常量；反之，若相位的变化是非线性的，即不同的频 率成分有不同的相移，则非正弦信号通过这种滤波器时 会产生严重的相位失真。
滤波器过渡带的幅频特性越陡峭，这种失真越严重。
描述滤波器瞬态特性的主要参数有群延迟、阶跃响 应和冲激响应。
4. 滤波器的瞬态特性
Uo/V 0.5
0.4
贝塞尔 巴特沃斯
0.3 切比雪夫
0.2
0.1
0
பைடு நூலகம்-0.1
4
8
12 t /s
三种滤波器的冲激响应
9.3 开关电容滤波器
9.3.1 开关电容模拟电阻
开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关、电 容器和运算放大器三部分组成。开关电容电路的特性仅与 各电容器电容量之比的准确性有关，而与电容器的精度无 关。在集成电路中，可以获得准确性很高的电容比。
小，即可制作大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传统
工艺的1%左右。
9.3.2 一阶RC低通环节
1
S1
Ui
C1
2
S2 C2
开关电容低通滤波器
两相时钟1和2的频率
fCP远大于输入信号 Ui 的频
率，开关电容单元等效为电
Uo 阻：
R TCP C1
R
+
Ui
C2
_
时间常数：
RC2
C2 C1
TCP
+
Uo _
通带截止频率：f P
1
2
1
1
2
t
SW1
SW2
2
TCP
u1(t)
C
u2(t)
t TCP
开关电容模拟电阻
时钟驱动信号
9.3.1 开关电容模拟电阻
1
u1(t)
1
SW1
2
2
SW2
C
u2(t)
1
S1
uI
C
2
S2
uo
基本开关电容电路
1
t
2
TCP
t TCP
由两相时钟1和2控制开关
S1、S2。
模拟开关S1和S2的动作规律：
S1断
S2断
2. 三种频率响应函数的比较
贝塞尔型低通滤波器的传递函数:
H (s) Bn (0) Bn (s)
n是滤波器的阶数
贝塞尔多项式
n
Bn (s) bisi i0
bi
(2n i)! 2n-i i!(n i)!
与巴特沃斯型滤波器相比，贝塞尔型滤波器的频率特性 稍差一些，过渡带衰减缓慢，但它在通带内产生接近线性的 相位特性，因而具有良好的瞬态特性。
1
2π
C2 C1
fCP
9.3.2 一阶RC低通环节
fP
1
2π
C2 C1
fCP
时钟频率 电容量之比
通带截止频率
稳定、准确
当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比，而与 电容的绝对值无关。集成工艺制作的MOS电容比的精度优 于0.01%，温度系数小于10ppm/℃。所以集成开关电容滤波 器的截止频率准确度高且稳定性好。
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性
上述三种类型的滤波器并不是拓扑结构不同的电路， 实际上它们是同一电路在不同参数配置下得到的不同响应 函数。以三阶压控型LPF为例，电路如图所示。
R
R
R
A
uI
C1
C2
C3
uO
三阶压控型低通滤波器
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为1kHz，R=1k，
Q Cu C(u1 u2 )
9.3.1 开关电容模拟电阻
等效电流：
i
Q TCP
C TCP
(u1
u2 )
如果时钟脉冲的频率fCP足够高，在一个时钟周期内两 个端口的电压可认为基本不变，则基本开关电容单元就可
以等效为一个电阻：
R u1 u2 TCP 1
i
C CfCP
开关电容的优点：利用MOS工艺控制开关电容的大
C1 0.13926μF C2 0.35468μF C3 0.02025μF
巴特沃思型低通滤波器幅频特性的仿真
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性
设截止频率为1kHz，R=1k，
C1 0.30140μF C2 2.6937μF
C3 0.01451μF
切比雪夫型低通滤波器幅频特性的仿真
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为1kHz，R=1k，
9.3.3 一阶开关电容低通滤波器
1
2
SW3
SW4 C2
1
2
C
ui
SW1
SW2
C1
A
uo
R2
C
ui R1
A
uo
一阶开关电容滤波器及其等效电路
设
R1
TCP C1
,
R2
TCP C2
Au
s
UO s UI s
R2 R1
1
1 sR2C
C1 C2
1
1 sTCP
C C2
9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260
2. 三种频率响应函数的比较
切比雪夫型低通滤波器的幅频响应:
H ( )
1
1 2Cn2 ( )
切比雪夫多项式
2< 1
c是-3dB的截止频率
/ c
切比雪夫型滤波器以引入通带起伏为代价，使过渡带曲 线下降的斜率最大化。在给定过渡带截止速率的情况下，切 比雪夫滤波器虽然在通带内的曲线产生了一定幅度的振荡， 但是可以用低于巴特沃斯滤波器的阶次来实现，从而降低了 电路的复杂性和成本。
9.2.8 三种典型的滤波特性
1. 滤波特性 滤波器的设计目标是根据不同的实际要求，实现其最
佳的近似理想特性。 ——巴特沃斯特性曲线
——切比雪夫特性曲线
——贝塞尔特性曲线
每一种滤波器(LPF、HPF、BPF、BEF)都能通过改变 与时间常数有关的元件参数获得与巴特沃斯、切比雪夫或 贝塞尔特性曲线相对应的滤波特性。