【導(dǎo)讀】開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。開關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A/D、D/A變換，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
簡介
開關(guān)電容濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。開關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A/D、D/A變換，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。此外，由于MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功耗等方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢，為開關(guān)電容濾波器電路的迅猛發(fā)展提供了很好的條件。
基本原理
SCF電路的實(shí)質(zhì)是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，它直接處理模擬連續(xù)信號。與數(shù)字濾波器相比，省去了A/D、D/A裝置，這也是SCF能很快進(jìn)入應(yīng)用的原因之一。因此，SCF雖然在離散域工作，但仍屬模擬濾波器之列。
各類SCF的設(shè)想主要起因于流過電阻器與開關(guān)電容的電荷相同。這一點(diǎn)是很自然的，有源RC濾波技術(shù)已有效地取代了電感器，開關(guān)電容技術(shù)首先的設(shè)想當(dāng)然是試圖用開關(guān)電容(SC)來取代電阻器。
開關(guān)電容濾波器的基本原理是，電路的兩節(jié)點(diǎn)間接有帶高速開關(guān)的電容器，其效果相當(dāng)于該兩節(jié)點(diǎn)間連接一個電阻。
由 MOS開關(guān)、電容器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種離散時間模擬濾波器。開關(guān)電容濾波器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的脈沖編碼調(diào)制。在實(shí)際應(yīng)用中它們通常做成單片集成電路或與其他電路做在同一個芯片上。通過外部端子的適當(dāng)連接可獲得不同的響應(yīng)特性。某些單獨(dú)的開關(guān)電容濾波器可作為通用濾波器應(yīng)用。例如自適應(yīng)濾波、跟蹤濾波、振動分析以及語言和音樂合成等。但運(yùn)算放大器帶寬、電路的寄生參數(shù)、開關(guān)與運(yùn)算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪聲等,都會直接影響這類濾波器的性能。開關(guān)電容濾波器的工作頻率尚不高，其應(yīng)用范圍目前大多限于音頻頻段。 開關(guān)電容濾波器 基本原理 最簡單的開關(guān)電容濾波器見圖1。開關(guān)K置于左邊時,信號電壓源u1向電容器C1充電;K倒向右邊時，電容器C1向電壓源u2放電。當(dāng)開關(guān)以高于信號的頻率fc工作時,使C1在u1和u2的兩個電壓節(jié)點(diǎn)之間交替換接,那么C1在u1、u2之間傳遞的電荷可形成平均電流I=fcC1(u1-u2)，相當(dāng)于圖1a的u1和u2之間接入了一個等效電阻,其值為1/fcC1。這樣，圖1a的開關(guān)電容電路就可等效于一階有源低通濾波器(圖1b)，其傳遞函數(shù)為
H(jω)= j (fc/ω) (C1/C2);
式中ω=2πf。從上式可見，開關(guān)電容濾波器的傳遞特性取決于比值C1/C2和開關(guān)頻率fc。事實(shí)上，圖1b是一個積分電路，因此，開關(guān)電容濾波器可用于模擬濾波器的相應(yīng)電路，以實(shí)現(xiàn)LC濾波器、有源濾波器等的特性。
設(shè)計 設(shè)計開關(guān)電容濾波器的方法，大致可歸結(jié)為兩大類。一類以模擬連續(xù)濾波器為基礎(chǔ)，通過一定的變換關(guān)系把連續(xù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)變換為對應(yīng)的離散時間系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，以便直接在離散時間域內(nèi)精確設(shè)計。這時可把網(wǎng)絡(luò)函數(shù)分解為低階函數(shù)，然后用開關(guān)電容電路模塊通過級聯(lián)或反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。另一類是以LC梯形濾波器為原型用信號流圖法或阻抗模擬法以開關(guān)電容電路取代LC電路中的各支路或電阻、電感，元件之間有一一對應(yīng)關(guān)系。
跳耦型開關(guān)電容濾波器 有源濾波器跳耦電路的實(shí)現(xiàn)，是基于對無源LC梯形濾波器的模擬。這時跳耦電路的各支路分別對應(yīng)于無源濾波器原型各支路，且其導(dǎo)納都是以積分函數(shù)形式出現(xiàn)的。 開關(guān)電容濾波器 如果將跳耦電路各支路的積分函數(shù)用差分輸入的開關(guān)電容積分器(圖2)實(shí)現(xiàn)，并計入端接負(fù)載的影響，就可以得到和五階LC低通濾波電路(圖3a)相對應(yīng)的開關(guān)電容濾波器電路(圖3b)，而且仍然保持原型無源LC濾波器的低靈敏度特性。
開關(guān)電容積分器在每個時鐘周期對輸入信號取樣一次，為了避免輸出信號產(chǎn)生附加相移,嚴(yán)重影響濾波響應(yīng),必須如圖3b那樣，使相鄰積分器的開關(guān)向相反的方向投擲。 開關(guān)電容濾波器 電壓反向開關(guān)型開關(guān)電容濾波器 也是用LC濾波器為原型電路，但用開關(guān)電容等效元件替換模擬元件。電路工作時要求用“電壓反向開關(guān)”控制電容網(wǎng)絡(luò)中的電荷流動，使等效元件內(nèi)部開關(guān)動作時元件所構(gòu)成的環(huán)路中沒有電荷流動。
實(shí)現(xiàn)“電壓反向開關(guān)”的方法很多，圖4a是用運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器形式的電壓反向開關(guān)，圖4b是它的電路符號。其工作過程是：當(dāng)開關(guān)K1閉合、K2打開時,因電壓跟隨作用,電容器CH上的電壓uH等于輸入電壓ua,即uH=ua;而在開關(guān)K1打開、K2閉合時,電容CH上的電壓反向加在運(yùn)算放大器輸入端。這樣，因運(yùn)算放大器虛短路，在每個開關(guān)周期內(nèi)，端口上電壓恰好反向。 開關(guān)電容濾波器 圖5a是按這種方法構(gòu)成的五階低通電壓反向開關(guān)型開關(guān)電容濾波器的電原理圖，圖5b是它的原型電路。與跳耦型開關(guān)電容濾波器相比，這種型式的電路需要的運(yùn)算放大器數(shù)目較少，且仍能保持無源LC網(wǎng)絡(luò)的低靈敏度特性，但它的開關(guān)時鐘相位關(guān)系比較復(fù)雜。
開關(guān)電容濾波器
開關(guān)電容濾波器還有許多種構(gòu)成方式，如在波數(shù)字濾波器原理基礎(chǔ)上用開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)的波開關(guān)電容濾波器。這種濾波器的原型電路可以是LC濾波器，也可以是含單位元的電路;而對選擇性要求比較尖銳的窄帶通濾波特性，可用N通道及偽N通道開關(guān)電容濾波器所呈現(xiàn)的梳狀濾波特性實(shí)現(xiàn)。它們大多也以LC濾波器或含單位元電路為原型。由于它們各具特點(diǎn)，可用來構(gòu)成型式多樣、用途廣泛的濾波電路。
開關(guān)電容濾波器中的開關(guān)是周期工作的，它的接通時間只占一個周期的一部分。如果幾組開關(guān)輪流在一個周期內(nèi)工作，就可構(gòu)成時間復(fù)用的開關(guān)電容濾波器，并可節(jié)省運(yùn)算放大器，簡化電路。改變時鐘頻率可改變電路參數(shù)，如中心率、峰值增益、選擇性等，因此可構(gòu)成通用型多功能濾波器或可編程序開關(guān)電容濾波器。
制造技術(shù) 開關(guān)電容濾波器可用NMOS或CMOS工藝制造。制造技術(shù)關(guān)系到分布電容、開關(guān)的通導(dǎo)電阻、放大器的帶寬、電容器公差以及電壓節(jié)點(diǎn)的泄漏電流。按標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，通常能夠滿足應(yīng)用于音頻范圍的要求。運(yùn)用某些改進(jìn)的技術(shù)可以擴(kuò)展工作頻段和進(jìn)一步減小電容器公差。
