开关电容滤波器基本原理

模拟电路网络课件第四十一节:开关电容滤波器

8.6 开关电容滤波器

一、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1a所示是一个有源RC积分器。在图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1c。假定时钟频率fc(=1/Tc)远高于信号频率，那么，在f1为高电平时，T1导通而T2截止[见图1d]。此时C1与输入信号vI相连，即有：

qC1=C1vI

而在f2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）。

二、同相开关电容积分器和反相开关电容积分器

开关电容积分器电路如图1所示。由图a可知，当f1为高电平，T1、T3导通，vI对C1充电；当vI为正，在图示vC1的假定正向下，充电结果vC1有一负电压。当f2为高电平时，vC1将加到运放的反相端，使vO为正，与vI同相，因此，图1a是同相积分电路。如果将T3、T4的时钟相位反相，如图1b所示，读者不难证明，图b具有反相积分器的功能。

三、RC有源积分滤波器转换成开关电容滤波器

图1所示为双二阶（带通和低通）RC有源滤波器，运放A1和A3构成反相积分器，而A2构成单位增益反相器，因而A2、A3构成同相积分器。

对于输入信号来说，vo1具有二阶带通特性，而vo3具有低通特性。其传递函数分别为

（1）

（2）

(a)双二阶RC有源滤波器

图1

(b)对应的开关电容滤波器

在前述开关电容积分器的基础上，根据等效关系，由图a 得到图b所示的开关电容带通滤波器和低通滤波器电路。图b中T1~T4和C3、T5~T8和C4、T9~T12和C5，T13~T16和C6分别等效图a中的R4、R1、R2和R3。而图a中的同相积分器，在图b中由T9~T12、C5、C2和运放A2所组成的同相积分器所代替。

四、单片集成开关电容滤波器

自1978年以来，国外已批量生产了各种开关电容滤波器，在脉冲调制编码（PCM）通信①语言信号处理等领域得到了广泛应用，仅美国就有多家公司生产各种开关电容滤波器。目前生产品种数量多、性能好、频率和相位特性最佳的是Linear Technology公司。下面以该公司的产品为例作一简单介绍。

美国Linear Technology公司生产通用型（可组合为低通、高通、带通等）和低通型开关电容滤波器，通用型中包含LTC1064（8阶，fo=0.1~140kHz，高速fCP max=7MHz，fCP=

1MHz时，时钟馈通噪声电压），LTC1164（8阶，fo=0.1~20kHz，低功耗，fCP max=500kHz）。低通型有十余种，大部分均是8阶的，其LTC1064-1和LTC106404的衰减特性达72dB/倍频程和80dB/倍频程；LTC1064-3、LTC10640-5等5种8阶低通滤波器均具有线性相位特性，在通带内的相位特性非线性误差在±0.5°~±0.7°。特别值得指出提，目前开关电容滤波器工作频率正向着高频发展，而宽带噪声比80年代初的开关电容滤波器约小两个数量级，某些型号的产品已能对微伏数量级的有用信号进行滤波。