开关电容滤波器详解

开关电容滤波器MF10的应用*名：***指导老师：***班级：仪器024班内容摘要MF10是MOS开关电容有源滤波器。

电路通过改变反馈方式可实现带通，全通，高通，低通，带阻 5 种滤波器的功能，改变外接电阻的阻值可以改变滤波器的增益及品质因数Q 值，改变外部时钟可以改变中心频率w0。

由于它具有使用简单，体积小，功耗低，精度高，稳定性好等优点，因而它得到了广泛的应用。

开关电容滤波器MF10的应用一:MF10的简述MF10为MOS开关电容有源滤波器，它由2个独立的滤波器模块组成。

这2个滤波器模块可以单独使用，构成一个一阶或二阶的滤波器电路；这2个模块也可级联构成四阶滤波器电路。

MF10集带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器于一体，它对外部的唯一要求是滤波器所需的电阻。

二：MF10的框图三：MF10的引脚及其功能简介特殊引脚的说明：1 引脚6（S A/B）:当S A/B接V A—，滤波器求和端之一接模拟地AGND，当S A/B接V A+ ，滤波器求和端之一接低通（LP A或LP B）输出端。

2 引脚12（50/100）：用于设定时钟频率f CLK与滤波频率f0的比例。

当12脚接高电平时，f CLK / f0 =50 ；当12脚接低地时，f CLK / f0 =100 。

四：MF10的应用举例MF10由模拟信号通道和时钟控制电路2大部分组成，模拟信号通道由运算放大器，加减电路和2级积分电路组成。

每级积分电路的传输函数均为w0 / s ，其中w0 = 2πf0，f0由时钟频率f CLK决定。

（1）MF10构成2阶带通和低通如图，输入信号直接从S1A和S1B端引入，6脚接V A+ ，列该电路各引脚电压的方程V（BPA）2 / R2 +V（BPA）1 =0（V（BPA）2—V i —V LPA）w0 / s = V（BPA）1V（BPA）1 w0 / s = V LPA由以上3式可得带通1 V（BPA）1 / V i = —（w0 s）/（s2 +R2/R3 w0 s +w02）带通2 V（BPA）2/ V i =（R2/R3 w0 s）/（s2 +R2/R3 w0 s +w02）低通V LPA / V i = —（w02）/（s2 +R2/R3 w0 s +w02）其中带通1，带通2，低通的通带增益K0分别为—R3 /R2，1 ，—1。

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。

开关电源设计的各种元器件介绍及作用设计并不是如想象中那么简单，特别是对刚接触开关电源研发的人来说，它的外围就很复杂，其中使用的元器件种类繁多，性能各异。

要想设计出性能高的开关电源就必须弄懂弄通开关电源中各元器件的类型及主要功能。

本文将总结出这部分知识。

开关电源外围电路中使用的元器件种类繁多，性能各异，大致可分为通用元器件、特种元器件两大类。

开关电源中通用元器件的类型及主要功能如下：一、电阻器1. 取样电阻—构成输出电压的取样电路，将取样电压送至反馈电路。

2. 均压电阻—在开关电源的对称直流输入电路中起到均压作用，亦称平衡电阻。

3. 分压电阻—构成电阻分压器。

4. 泄放电阻—断电时可将电磁干扰(EMI)滤波器中电容器存储的电荷泄放掉。

5. 限流电阻—起限流保护作用，如用作稳压管、光耦合器及输入滤波电容的限流电阻。

6. 电流检测电阻—与过电流保护电路配套使用，用于限制开关电源的输出电流极限。

7. 分流电阻—给电流提供旁路。

8. 负载电阻—开关电源的负载电阻(含等效负载电阻)。

9. 最小负载电阻—为维持开关电源正常工作所需要的最小负载电阻，可避免因负载开路而导致输出电压过高。

10. 假负载—在测试开关电源性能指标时临时接的负载(如电阻丝、水泥电阻)。

11. 滤波电阻—用作LC型滤波器、RC型滤波器、π型滤波器中的滤波电阻。

12. 偏置电阻—给开关电源的控制端提供偏压，或用来稳定晶体管的工作点。

13. 保护电阻—常用于RC型吸收回路或VD、R、C型钳位保护电路中。

14. 频率补偿电阻—例如构成误差放大器的RC型频率补偿网络。

15. 阻尼电阻—防止电路中出现谐振。

二、电容器1. 滤波电容—构成输入滤波器、输出滤波器等。

2. 耦合电容—亦称隔直电容，其作用时隔断直流信号，只让交流信号通过。

3. 退藕电容—例如电源退藕电容，可防止产生自激振荡。

4. 软启动电容—构成软启动电路，在软启动过程中使输出电压和输出电流缓慢地建立起来。

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.。

第三节开关电容滤波器(Switched Capacitor Filter简称SCF)有源RC滤波电路的缺点：由于要求有较大的电容和精确的RC时间常数，以致于在芯片上制造集成组件难度大，几乎不可能。

随着MOS工艺的迅速发展，由MOS开关电容和运放组成的开关电容滤波器已于1975年实现了单片集成化。

其优点为：这种滤波器不需要模数转换器，就可以对模拟量的离散值直接进行处理。

与数字滤波器比较，省略了量化过程，因而具有处理速度快，整体结构简单等优点。

此外，它制造简单，价廉，因而受到各方面的重视，经过20多年的发展，开关电容滤波器的性能已达到相当高的水平，在某些应用场合大有取代一般有源滤波器的趋势。

⒈基本原理(电容器代替电阻)电路两点间接有高速开关的电容器，其效果相当于两节点间连接一个电阻。

图3-1(a)为一个有源RC低通滤波器(积分器)图3-1(b)中从1点到2点：一个接地电容C1和用做开关的源漏两极可互换的增强型MOSFET T1，T2来代替输入电阻R1。

工作过程分析：T1，T2用两个如图3-1(c)不重叠的两相时钟脉冲φ1,φ2来驱动。

假定时钟频率远高于信号频率。

⑴φ1为高电平，φ2为低电平期间T1导通T2截止。

等效电路如图3-1(d)：此时，C1与Vi相连并被充电，即有：q c1=C1*V1⑵φ2为高电平，φ1为低电平期间T1截止，T2导通。

等效电路如图3-1(e)：C1转接到运放的输入端，此时，C1放电，所充电荷传输到C2上。

由此可见，在每一个时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷供给了电容器C2。

因此，在节点1，2之间的平均电流为：i av=C1*V1/Tc如果Tc足够短，可近似认为这个过程是连续的，因此1，2之间的等效电阻为：Req=V I/i av=Tc/C1因此，可得到一个等效的积分器时间常数τ：τ=C2*Req=Tc*C2/C1结论：(1)显然影响波器频率响应的时间常数取决于时钟周期Tc和电容的比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。

八阶低通椭圆型开关电容滤波器及其应用滤波器是电子电路中应用最广泛的器件之一，从简易的电阻电容模拟滤波器到复杂的数字集成电路滤波器，在高新电子产品以及智能化仪器仪表中，到处可见其活跃的身姿。

MAX293/294/297是美国MAXIM公司推出的八阶低通椭圆型、开关电容滤波器，采用输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对模拟信号和数字信号的滤波。

可广泛地应用于小信号数据采集系统滤波、抗混迭滤波、模数变换后置滤波及声音数据信号滤波等场合，其滤波原理和设计简单，在很大程度上，将电子电路设计者从烦琐的模拟滤波器设计中解放出来。

本文主要介绍其原理及其在机载式轨道质量智能监测装置中的过绝缘机信号频率滤波及模电压信号滤波中的应用。

一、基本特性1.主要特点(1)八阶低通椭圆型滤波器；(2)时钟可调转角频率范围:0.1Hz到25kHz(MAX293/294)，0.1Hz到50kHz(MAX297)(3)时钟对转角频率比：100：1(MAX293/294)，50：1（MAX297）；(4)不需要另接外部电路；(5) 内部或外部时钟；(6) 可在+5V单电源或€?V双电源条件下工作；(7)用于抗混迭或时钟噪声滤波的独立运放；(8)8脚DIP或16脚宽SO封装。

2.管脚说明8脚DIP和16脚封装管脚功能如表1所示。

3.典型工作电路典型工作电路如图1所示（针对8脚DIP封装）。

二、使用说明按照0.1Hz到25kHz(MAX293/294)或0.1Hz到50kHz（MAX297）的转角频率构成。

MAX293/297的1.5过渡比提供了锐变倾斜缘和-80dB阻带衰减，MAX294的1.2过渡比则提供了最陡峭的倾斜缘和-58DB阻带衰减。

此三种滤波器都有固定的响应，所以设计任务仅限于选择控制着滤波器转角频率的时钟频率。

此滤波器可采用一外接电容产生的内部振荡器的时钟信号，或者直接采用外接时钟信号。

为了构成用于后置滤波或抗混迭的连续时间低通滤波器，MAXIM公司设置了一个独立的运放（非反向输入端接地），其陡的倾斜缘和高的阶次，使得该系列滤波器特别适合于需要最大通带的抗混迭以及需要滤去频率范围内紧邻信号的通讯场合。