开关电容滤波器的设计与应用

开关电容低通滤波器的设计原理分析为了滤除信号中掺杂的高频噪声，设计一种六阶级联式开关电容低通滤波器，以数据采样技术代替传统有源RC滤波器中的大电阻，有利于电路的大规模集成。

滤波器由双二阶子电路级联而成，电路中的电容值利用动态定标技术计算确定。

用Hspice进行仿真验证，结果表明：开关电容低通滤波器能较好地时信号进行整形，其频率特性符合设计指标。

滤波技术是信号分析和处理中的重要分支，它的作用是从接收到的信号中提取有用的信息，抑制或消除无用的或有害的干扰信号，有助于提高信号完整度和系统稳定性。

滤波器正是采用滤波技术的具有一定传输选择性的信号处理装置。

随着现代集成电路技术和MOS工艺的飞速发展，模拟集成滤波器的实现已经成为现代工业的一个重大课题，也是当今国际上的前沿课题。

传统的连续时间模拟滤波器采用有源RC结构，能够应用到较高的频率，但是电路中多采用大电容和大电阻，在集成电路制造时会占用大量的芯片面积。

在现代集成电路工艺中，很难得到精确的电阻值和电容值，而且电阻值随温度变化很大，精度只能达到30%。

1972年，美国科学家Fried发表了用开关和电容模拟电阻R的论文，由此开关电容技术成为模拟集成滤波器设计中常用的方法。

开关电容滤波器是由运算放大器、电容器和MOS开关组成的有源开关电容网络，以数据采样技术代替大电阻，减小了芯片的面积和功耗，且电路的极点和时间常数由电容的比值确定，可实现高精度的模拟集成滤波器。

本文设计一种开关电容低通滤波器，用于滤除有用信号中掺杂的高频噪声。

1 开关电容技术的原理图1中的开关电容等效电阻电路由两个独立的电压源V1、V2，两个受控开关S1、S2和电容C组成。

开关S1和S2受两相不交叠的时钟φ1和φ2控制，时钟频率均为fs。

在时钟φ1和φ2的控制下，两个开关周而复始地闭合与断开。

φ1闭合时，C充电到V1，φ2闭合时，C放电到V2，传输的总电荷为C(V1-V2)，流向V2的平均电流为：I=Qfs=C(V1-V2)*fs (1)根据欧姆定律，可知此开关电容电路的等效电阻(如图1(b)所示)为：Req=1/Cfs (2)利用开关电容等效电阻电路的最大优点是节省了硅片面积。

第 1 卷 第 1 期 2004 年 3 月邵阳学院学报( 自然科学版)Journal of Shaoyang University ( Natural Sciences)Vol. 1. No. 1 M ar. 2004文章编号: 1672- 7010( 2004) 01- 0026- 03开关电容滤波器的设计与应用宁华申( 隆回县第二中学, 湖南 隆回422200)摘要: 文章阐述了开关电容滤波器的结构与 工作原理, 并给出了 MAX7400~ MX7415 系列集成开关电容滤波器的 设计实例. 关键词: 开关电容; 滤波器; 巴特沃斯; 契比雪夫; 贝塞尔中图分类号: TN713+ 92 文献标识码: A1 引言开关电容滤波器是利用开关电容网络构成的滤波 器, 它的出现促进了有源滤波器的集成化. 随着集成电 路制造技术工艺水平的提高, 集成开关电容滤波器的 尺寸变得越来越小, 设计也越来越简单, 已大量应用于 通讯和其它数字化系统. 美国 MAX 公司最新推出的低 通开关电容滤波器系列产品 MAX7400~ MAX7415, 将滤 波的设计任务简化到仅仅是对时钟频率选择, 采用 8 脚 LMAX 封装, 尺寸仅为 3. 0mm @ 5mm, 并具有低功耗、低 噪声等特点. 适用于 DPA 转换器的后滤波及 DPA 转换 器的抗混叠.图 2 电容连接形式构的开关电容滤波器的二阶单元电路如图 1( b) 所示. 其基本单元是由积分器构成的. 如图 2( a) 、( b) 所示.图 1( a) 中滤波器的中心频率为:图 1 滤波器二阶单元电路f =1 2PR 6 R 5 1R 1 R 2 C 1 C 22 工作原理连续有源滤波器的通用二阶单元电路如图 1( a) 所 示, 它由 3 个运放, 7 个电阻和 2 个电容组成. 仿照该结收稿日期: 2003- 10- 21 Q 值为:作者简介: 宁华申( 1962-) , 男, 湖南 隆回人, 隆回县第二中学一级教师.R 6 R 5 R 2 C 2 第 1 期宁华申: 开关电容 滤波器的设计与应用27R 4 R 4 1+ +R 3 R 0 R 6 R 1 C 1Q = ( )1+R 5设图 1( a) 中: R 1 = R 2= R; C 1= C 2= C; R 5= R 6 = R; 则以上两式可简化为:1f = ( 1)器的类型. 从通带性质来分, 滤波器有四种基本类型: 低通滤波 器( LPF )、高通 滤波器 ( HPF) 、带 通滤 波器 ( BPF) 、带阻滤波器(HPE) . 此外, 在滤波器的设计中, 按 照不同的频域特性要求, 可又分为巴特沃斯型、契比雪 夫型、贝塞尔型和椭圆型. 巴特沃斯型要求传递函数 中, 分母采用巴特沃斯多项式, 这种滤波器输出幅度随 频率增高单调减小, 具有最平坦通带幅频特性, 因此又Q =12( 1+R 3R 4+)( 2)称最大平坦型. 贝塞尔型要求传递函数分母为贝塞尔 多项式, 这种滤波器通带边界下降较缓慢, 但其相频特 图 2( a) 为连续有源滤波器的标准积分电路, 其时 间常数取诀于无源器件 R 、C 输出与输入的关系为:性接近线性, 具有最佳的相位特性, 放又称为线性相位 型. 椭圆型滤波器的幅频特性在通带内都是波动的, 即 $VP$T = - V IN PRC( 3)过渡带最陡. 若传递函数分母采用契比雪夫多项式, 则为:由( 1) 式可得, 二阶连续有源滤波器的中心频率 为契比雪夫型, 其特点是通带增益有起伏( 纹波) , 因此 也叫纹波型, 这种滤波器与贝塞尔型和已特沃斯型滤 f o = 1P2 PRC( 4)波器相比通带边界下降较快, 与椭圆型滤波器相比通 图 2( b) 为反相型开关电容积分器, 它用两个模拟 开关 S 1、S 2 和一个电容 C 1 构成的开关电容网络替代了 标准积分器中的 R. 图 2( c) 中, 当开关 S 1 闭合时, 电容 带边界下降较快, 与椭圆型滤波器相比具有较平的通 带幅频特性.表 1 Maxi m 滤波器选择表C 1 被 V 1 充电; 当开关 S 2 闭合时, 电容 C 1 储存电荷为: 型 号 类 型 阶 数 截止频率 q c = C 1( V 1 - V O ) . 在一个周期内, 由输入端流向输出端 的平均电流为:I = qcPTc = C 1( V 1 - V o ) f CLK当输入时钟频率 f CLK 足够高时, 可以认为这个过程 是连续的, 好象是输入端与输出端存在一个等效电阻, 其值为: R eq = I/C 1f CLK 代入( 3) 式得:$VP$T = - V IN f CLK C 1PC 2如将 R eq 代入( 4) 式, 可得出二阶开关电容滤波器 的中心频率为: f o = f CLK C 1P2PC 2 ( 设图 1( b) 中, R 2= R 4) . 通过改变电容比值 C 1/ C 2 或时钟频率可控制滤波器中 心频率 f CLK 应大于信号的频率的 2 倍以上. 通常选择时 MAX7400 MAX7403 MAX7404 MAX7407 MAX7408 MAX7409 MAX7410 MAX7411 MAX7412 MAX7413 MAX7414 MAX7415椭圆 椭圆 椭圆 椭圆 椭圆 贝塞尔 巴特沃斯 椭圆 椭圆 贝塞尔 巴特沃期 椭圆8 8 8 8 5 5 5 5 5 5 5 51Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 10kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz 1Hz~ 15kHz钟比( f CLK : f o ) 为 50: 1 或 100: 1, 当 f CLK : f o = 50: 1 时, C 2/ C 1 U8, 当 f CLK : f o = 100: 1 时, C 2/ C 1 U16.与连续有源滤波器相比, 开关电容滤波器可以提 供较稳定的中心频率 f o . 一般在集成电路中, 电容比值 的精确度可以控制在 0. 1% 以内, 改变电容比能够较精 确的控制中心频率 f 0 ; 在对滤波器中心频率要求较高的 场合, 可选用外部时钟控制方式, 如利用稳定的晶体振 荡器, 在时钟频率不是很高时, 可以获得稳定的外部时 钟, 从而精确、稳定地控制中心频率 f 0. 另外, 由于开关 电容滤波器实质上是将时间上连续的模拟信号离散 化, 因此输出波形不是很光滑, 图 2( b) 通过外加无源 RC 滤波可改善其输出特性. 另需注意的是: 由于开关的 影响, 系统会存在一定的噪声.3 滤波器的类型,表 1 为Maxim 公司推出的多种新型开关电容滤波 器, 它们分别为 8 阶、5 阶低通滤波器, 工作在 5V 或 3VJ 电源, 电流损耗仅 1. 2mA, 允许角频率为 1Hz~ 15Hz, 输 出失调电压为 ? 4V, 关断模式可将电流降至 0. 2mA, 时 钟比为 100: 1.该类电路具有两种时钟工作模式: 内部( 由外部电 容设置时钟频率) 和外部时钟模式( 用于精确控制角频 率的系统) . 失调调整引脚可以调整输出直流电平.通常高阶开关电容滤波器是由双二阶滤波器级联 实现的, 其结构比较简单, 但各单元因元件失配产生的 误差仅仅影响其本身的极/ 点, Q 值要求较高时, 滤波器 对各部分参数值的变化较敏感. Maxim 的开关电容滤彼 器采用带有加法器和比列器的积分器模拟无源阶梯滤 波器( 图 3) 设计方案, 将局部失配产生的误差分散到所28邵阳学院学报( 自然科学版)第 1 卷MAX7410/MAX7414 低通巴特沃斯型滤波器可提供 最大带内平坦度, 适用于要求通带内偏离直流增益较 小的仪器.低通椭圆型滤波器( 参见表 1) 具有较陡的过度带, MAX7411/MAX7412 在提供 37dB 的阻带抑制时能够保 证其过渡比为 1. 25, MAX7408/MAX7412 具有 53dB 的阻带抑制, 过渡比为 1. 6, 适用于窄带滤波器设计. 适用于 图 3 5 阶阶梯滤波网络DPA 转换器的后滤波及 am 转换器抗混叠, 典型应用如 图 4 所示.4 设计考虑选用Maxim 开关电容滤波器进行设计时, 其输入信 号幅度不要过小, 也不要过大, 以避免较大的失真与噪 声, 相应型号的数据手册提供了输入信号幅度与噪声图 4典型应用+ 失真的对应关系曲线图, 可作为设计参考. 选用外部 的时钟控制方式时, 一般用 40% 至 60% 占空比的时钟, 转角频率与时钟频率的关系为: f C = f CLK P100. 用内部时 钟方式时, 转角频率与外接电容成反比, 可参考有关型 号的数据手册进行设置. 应用电路如图 5 所示, 图中 COM 引脚用于设置共模输入电压, 内部分压电路将其 设置在电源电压的中心位置. OS 为失调调节输入引脚, 用于调整输出直流电平, 不需要调节时可直接将其接 到 COM 引脚, 这里 V OUT = (V IN - V COM ) + V OS , 式中 V COM 典型值为 V DD P2, ( V IN - V COM ) 经低通开关电容滤波器滤 波, V OS 叠加在输出级. 实际应用中应注意 V OS 、V COM 电压的有效范围, 调节过大会影响滤波器的动态范围.图 5 典型连接图MAC7409/MAX7413 贝塞尔型( Bessel) 滤波器输入 与输出间的延迟时间保持恒定, 与信号频率无关, 频率 响应具有较陡的下降沿, 建立时间较快. 多应用于多选 Maxim 该系列产品可采用单电源供电, 也可采用双 电源供电. 当需要用双电源供电时, 可将 COM 接到系统 端, 而 GND 脚接负电源, 其滤波器性能与单电源供电相 同.参考文献:开关与 A/ D 之间, 以消除混叠效应, 抑制输入信号频谱 中的杂散分量和串模干扰.[ 1]姜 威, 罗略军. 开 关电器 滤波 器的 应用[ M ] . 北 京: 国 外电子元器件杂志出版 社, 1999.。

8阶开关电容滤波器MAX29X 系列的应用设计摘要:MAX29X 是美国MAXIM 公司生瓣的8阶开关电容低通滤波器,由于价格便宜、使用方便、设计简单，在通讯、信号自理等领域得到了广泛的应用。

本文就其工作原理、电气参数、设计注意事项等问题作了讨论，具有一定的实用参考价值。

关键词：开关电容、滤波器、设计1 引言开关电容滤波器在近些年得到了迅速的发展，世界上一些知名的半导体厂家相继推出了自己的开头电容滤波器集成电路，使形状电容滤波器的发展上了一个新台阶。

MAXIM 公司在模拟器件生产领域颇具影响，它生产的MAX291/292/293/294/295/296/297系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便（基本上不需外接元件）、设计简单（频率响应函数是固定的，只需确定其拐角频率即截止频率)、尺寸小（有8-pin DIP 封装）等优点，在ADC 的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。

MAX219/295为巴特活思（型滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。

MAX292/296为贝塞尔（Bessel ）滤波器，在通频带内它的群时延时恒定的，相位对频率呈线性关系，因此脉冲信号通过MAX292/296之后尖峰幅度小，稳定速度快。

由于脉冲信号通过贝塞尔滤波器之后所有频率分量的延迟时间是相同的，故可保证波形基本不变。

关于巴特活和贝塞尔滤波器的特性可能图1来说明。

图1的踪迹A 为加到滤波器输入端的3kHz 的脉冲，这里我们把滤波器的截止频率设为10kHZ 。

踪迹B 通过MAX292/296后的波形。

从图中可以看出，由于MAX292/296在通带内具有线性相位特性，输出波形基本上保持了方波形状，只是边沿处变圆了一些。

方波通过MAX291/295尖峰(overshoot)和铃流(ringing)。

MAX293/294/297为8阶圆型（Elliptic ）滤波器，它的滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以作得很窄。

开关电源EMI滤波器原理和设计研究开关电源EMI滤波器是用来减少开关电源产生的电磁干扰(EMI)的一种装置。

EMI是指开关电源工作时产生的高频干扰信号，可能会对其他电子设备、无线通信和无线电接收产生干扰，影响它们的正常工作。

EMI滤波器通过合理设计，能有效地抑制开关电源产生的EMI信号，从而减少对其他设备的干扰。

EMI滤波器的原理是基于电流和电压的相位关系来实现的。

开关电源在工作时会产生高频电流脉冲，而这些电流脉冲会通过开关电源输入端的电容等元件，从而形成高频电流回路。

EMI滤波器通过给开关电源输入端加上一个电感元件，阻断高频电流回路的形成，从而减小EMI信号的辐射。

设计EMI滤波器时需要考虑以下几个因素：1.工作频率范围：EMI滤波器需要在开关电源产生EMI信号的频率范围内有效工作。

根据具体的应用环境和要求，选择合适的滤波器工作频率范围。

2.滤波特性：滤波器需要具有良好的滤波特性，对于较高频率的EMI信号能够有较好的抑制效果。

常用的滤波器类型有低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

3.过渡区域：滤波器在过渡区域需要平衡阻抗和频率之间的变化。

过渡区域越宽，滤波器的性能越好。

过渡区域的宽度需要根据具体要求进行设计。

4.安全和可靠性：EMI滤波器需要满足安全和可靠性的要求。

在设计过程中，需要考虑电源参数范围、电流和电压的安全范围等因素，以确保滤波器的稳定性和可靠性。

设计EMI滤波器的方法有多种，可以根据需求选择不同的设计方法。

常见的方法包括线性滤波器设计、Pi型滤波器设计和C型滤波器设计等。

其中，Pi型滤波器是应用最广泛的一种，它由两个电感和一个电容组成，能够对高频信号进行抑制。

总之，开关电源EMI滤波器的原理和设计研究是为了降低开关电源产生的电磁干扰，保证其他设备的正常工作。

通过合理的滤波器设计和选择合适的滤波器类型，可以有效地减少EMI信号对其他设备的干扰，提高系统的抗干扰性能。

摘要：通过合理选择滤波器的类型和阶数，利用低Q 值二级滤波器放在高Q 值二级滤波器的前级，给每一级分配不同的增益使得每一级的输出峰值相同。

从开关电容电路的原理入手，分析了开关电容电路和电容编程阵列，最终设计一个可编程开关电容6 阶带通滤波器。

选择合适的运算放大器参数。

可编程滤波器系统共需3 路时钟控制，滤波器编程参数控制模块用于实现芯片内部程序存储器编程控制。

通过对设计的开关电容滤波器进行仿真，结果基本与设计目标吻合。

开关电容滤波器（Switch Capitor Filter，SCF）是一种由MOS 开关、电容器和运算放大器构成的离散时间模拟滤波器，实际应用中，该滤波器可与其他电路集成在同一个芯片上，通过外部端子的适当连接获得不同的响应特性。

某些单独的开关电容滤波器可作为通用滤波器使用，例如自适应滤波、跟踪滤波、振动分析以及语言和音乐合成等。

但运算放大器带宽、电路的寄生参数、开关与运算放大器的非理想特性以及MOS 器件的噪声等都会直接影响这类滤波器的性能。

开关电容滤波器的工作频率不高，其应用范围目前仅限于音频频段。

但随语音/数据通信及微电子测量仪器领域内对单片集成MOSFET 有源滤波器的需求剧增，促使了开关电容滤波器的研究与开发，特别是高阶SCF。

因此，这里提出一种开关电容滤波器的系统设计方案。

1 开关电容滤波器的选型1.1 类型选择这里所设计的开关电容滤波器是应用于电力线信号传输，传输信号频率为57.6±16、76.8±16 和115.2±16 kHz，所以需要将电力线上的低频噪声（包括电力线上50 Hz 的电源信号）滤除，同时还需要滤除各种不可知的高频噪声。

这样带通滤波器成为最佳选择。

滤波器的理想滤波特性是，通带内信号完全无衰减通过，阻带内信号完全衰减。

但实际应用中，理想的滤波器是不存在的，只能用传输函数近似表达其滤波特性。

根据对滤波器特性的不同要求，选择不同形式的近似函数，从而得到常用的滤波器：巴特沃思（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器、椭圆函数（Elliptic Function）滤波器。

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1（a）所示是一个有源RC积分器。

在图1（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1（c）]。

假定时钟频率fc(=1/Tc)远高于信号频率，那么，在φ1为高电平时，T1导通而T2截止[见图1（d）]。

此时C1与输入信号vI相连，即有：qC1=C1vI而在φ2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1（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）。

(a)有源RC积分器(b)开关电容积分器(c)两相时钟(d)在f1为高电平时，vI向C1充电（e)在f2为高电平时，C1向C2放电图1。