u02p2_Switched-Capacitor Filters_开关电容滤波器_20081225

《电子信息工程专业英语教程》（第二版）任治刚主编电子工业出版社

开关电容滤波器

有源滤波器的特性取决于其RC时间常数的精度，这一点和滤波器结构无关。由于集成电阻、电容的精度接近±30％，用元件的绝对值进行设计集成滤波器电路将难以实现。然而，芯片上的电容值之比可以精确控制到1/2000。开关电容滤波器使用电容比来获得精度，而无需精确的外部元件。

在图1所示的开关电容积分器中，C1和开关一起模拟电阻。开关S1以时钟频率f CLK连续地拨动。当S1拨到左侧时，电容C1充电至V IN。当S1拨到右侧时，C1将电容释放到积分器的求和点，并由此流入电容C2。每个时钟周期内C1上的电荷为Q= C1V IN,转移至求和点的平均电流为I=Q f C= C1V IN f C。注意电流和V IN成正比，从而得到R=V IN/I=1/ C1 f C的电阻。因此，积分器w0=1/RC2= C1f C/C2。

因为w0和电容比成正比，所以可以高精度控制其值。此外，这个值和时钟频率成正比，所以通过改变f CLK可以改变滤波器特性。开关电容是一种采样数据系统，所以不完全等效于连续时间RC积分器。对于设计者而言，这些区别引起三个问题。

第一，通过开关电容的信号要受时钟频率的调制。假如输入信号包含的频率和时钟频率接近，这二个频率互相调制产生了系统带宽范围内的“杂乱”输出频率。对于许多应用而言，这并不是什么问题；因为输入信号带宽已经限制在时钟频率一半之内。如果不是这样，开关电容滤波器之前必须放置抗混叠滤波器，用来去除超过时钟频率一半的输入信号频率分量。

第二，积分器（图1）的输出不是线性斜波信号，而是时钟频率阶梯信号。在阶梯的转折处会出现小的“尖峰”，这是由开关注入电荷造成的。如果滤波器后面的系统带宽远低于时钟频率，这些“不足”不会成为问题。否则，你必须在开关电容滤波器的输出端增加一个滤波器用来去除时钟波动。

第三，开关电容滤波器的行为不同于理想的连续时间模型，因为输入信号在每个时钟周期仅采样一次。滤波器输出偏离理想情况，因为滤波器极点频率接近时钟频率(低Q值情况)。然而，你可以计算机这些影响并在设计过程中考虑到这些影响。

考虑到上述情况，最好将时钟频率和中心频率之比保持尽可能大。开关电容滤波器的典型比值范围为28：1到200：1。以MAX262 为例：其最高时钟频率为4MHz，当比值取28：1这个最小值时，中心频率的最大值为140KHz。在低频端，开关电容滤波器具备“无须使用大电容和大电阻就可以处理低频”的优点。只要降低时钟频率即可。

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