开关电容滤波器

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。

基于开关电容技术的巴特沃斯滤波器设计及PSpice仿真研究熊健;王福明【摘要】应用开关电容技术对四阶巴特沃斯滤波电路进行变换和简化,设计了一个集成式巴特沃斯滤波电路.该设计运用LF411运算放大器及开关电容时域宏模型,开关电容的时钟频率可调,可以构成多阶多截止频率的滤波器.PSpice仿真说明,其结果与理论计算值基本一致,可为以后的设计研究提供充分的依据.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)023【总页数】3页(P174-175,179)【关键词】巴特沃斯滤波器;开关电容;时钟频率;宏模型;PSpice【作者】熊健;王福明【作者单位】中北大学,山西,太原,030051;中北大学,山西,太原,030051【正文语种】中文【中图分类】TN43各种滤波器性能的优劣往往取决于电路的复杂程度。

滤波器的设计就是信号处理问题中的一项专门的模拟电子技术设计和一个重新布线的电子电路设计，他不但降低了对紧迫信号监测、处理的实时性和快速性，而且其设计无定式、复杂程度参差不齐，限制了滤波器的微型化和通用化发展。

由于开关电容滤波器精度高、稳定性强，同时还具有体积小、重量轻、价格便宜且不要求阻抗匹配等优点，因此获得了极为广泛的应用，遍布于信号处理系统中。

本文提出一种开关电容式低通滤波器，该滤波器不因滤波信号频率的变化而改变其电路的复杂程度，只需改变开关电容电路的时钟频率。

1 滤波器选择及分析现在流行的有以下3种滤波器：巴特沃斯滤波器(最大的通带平坦度)、切比雪夫滤波器(过渡带最陡峭)、贝塞尔滤波器(时延最平坦)。

其中巴特沃斯滤波器在线性相位、衰减斜率和加载特性三方面在各种滤波器中表现是最均衡的，特别是随着阶数的增加，衰减斜率增加的很明显。

本文利用PSpice电路仿真软件，设计了一个四阶开关电容式巴特沃斯低通滤波器，并对其性能指标应用PSpice进行了仿真分析。

巴特沃斯传输特性的幅值为：(1)n是滤波器的阶数，fB是3 dB的截止频率。

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.。

1绪论1.1课题背景及目的随着计算机的广泛应用以及大规模集成电路技术的发展,经典的线性定常电路理论开始转向非线性时变电路的分析与综合,连续模拟域处理也扩展到离散数字域,而且新电路器件在陆续出现。

开关电容(Switched Capacitor)技术及其用于选频网络---开关电容滤波器(SCF)正是新发展潮流中的一个分支。

随着MOS大规模集成技术的迅速发展，开关电容网络这门新兴学科开始出现，以及单片集成开关电容滤波器的问世，使它在电话、脉冲编码调制通信、信息处理等技术中得到了广泛的应用[1]。

20世纪80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成（LSI），使用最多的滤波器成为“拦路虎”。

RC有源滤波器不能实现LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。

五十年代曾有人提出SCF的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。

1972年，美国一个叫Fried的科学家发表了用开关和电容模拟电阻R，并证明SCF的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关。

因此，与有源RC滤波器相比，SCF更易于实现单片集成，适合成批生产，这是滤波器从分立走向全集成的重大突破。

到1979年一些发达国家单片SCF已成为商品（属于高度保密技术），现在SC技术已趋成熟，SCF采用MOS工艺加以实现，被公认为八十年代网络理论与集成工艺的一个重大突破[2-5]。

本文研究的是基于开关电容技术的双二阶滤波器的理论和设计，而双二阶开关电容滤波器电路能够方便地设计出各种特性的滤波器，单片集成SCF的研制成功将使通讯、电话等系统的滤波网络有巨大的改变。

由于开关电容电路所具有的优点，使它不仅在滤波器方面而且在非滤波器方面也已得到广泛的应用，诸如放大、震荡和调制等各个方面。

随着SC器件的系列化、商品化，SCF已经应用在电讯、信息处理、声音处理等领域中，并且不断开发着新的开关电容电路的应用领域。

1.2 国内外研究状况开关电容网络是近几十年来出现的一种新颖有源网络，它仅由开关、电容器和运算放大器组成。

讲解滤波器原理开关电容滤波器原理对于滤波器原理，很多朋友充满好奇。

但对于不同类型滤波器而言，其滤波器原理往往有所不同。

所以对于滤波器原理的学习，需尽可能多的了解各式各样的滤波器。

本王中，将主要为大家讲解开关电容滤波器原理，并带来与开关电容滤波器相关的内容。

对于滤波器原理，很多朋友充满好奇。

但对于不同类型滤波器而言，其滤波器原理往往有所不同。

所以对于滤波器原理的学习，需尽可能多的了解各式各样的滤波器。

本王中，将主要为大家讲解开关电容滤波器原理，并带来与开关电容滤波器相关的内容。

1. 简介开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。

开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。

此外，由于MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势，为开关电容滤波器电路的迅猛发展提供了很好的条件。

2. 基本原理SCF电路的实质是采样数据系统，它直接处理模拟连续信号。

与数字滤波器相比，省去了A/D、D/A装置，这也是SCF能很快进入应用的原因之一。

因此，SCF虽然在离散域工作，但仍属模拟滤波器之列。

各类SCF的设想主要起因于流过电阻器与开关电容的电荷相同。

这一点是很自然的，有源RC滤波技术已有效地取代了电感器，开关电容技术首先的设想当然是试图用开关电容(SC)来取代电阻器。

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。

由MOS开关、电容器和运算放大器构成的一种离散时间模拟滤波器。

开关电容滤波器广泛应用于通信系统的脉冲编码调制。

在实际应用中它们通常做成单片集成电路或与其他电路做在同一个芯片上。

通过外部端子的适当连接可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应用。

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。

开关电容滤波器的分析与运用刘新;杨虹;陈海燕【摘要】开关电容作为一种实现有源滤波器的技术在电路设计中的运用与日俱增,首先阐述了开关电容的基本概念,接着对开关电容滤波器进行分析,然后对一个具体的一个二阶低频开关电容滤波器进行了详细讨论,最后采用台机电(TSMC)公司的tsmc024(0.24μm CMOS工艺)进行设计,经过了一系列的优化和仿真工作,得出了比较好的结果.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)006【总页数】3页(P6-8)【关键词】开关电容;滤波器;集成电路;tsmc024【作者】刘新;杨虹;陈海燕【作者单位】重庆邮电大学,重庆,400065;重庆邮电大学,重庆,400065;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳,621010【正文语种】中文【中图分类】TN7131 引言开关电容在1972年问世以来，他在电路设计中的运用与日俱增，这主要是与高质量高精度的MOS电容和MOS开关的实用性分不开的。

MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电容组成，电路在时钟信号控制下，完成电荷的储存和转换。

他和运算放大器、比较器等基本电路组合起来，可以构成多种基本的SC电路。

比如SC等效电阻电路、SC积分电路、SC滤波电路等。

开关电容电路的发明使基于MOS工艺的全集成的大规模模拟电路成为现实，而且开关电容电路最具吸引力的地方在于数字化可编程，这主要通过使用MOS电容阵列或者改变他们的时钟频率实现。

开关电容作为一种实现有源滤波器的技术，颇受欢迎，他能比早期的有源RC滤波器精度更高，密度更大。

特别是在低频运用中，开关电容日益盛行，早已扩展到更为通用的信号处理中使用，而且更进一步用来完成完整的采样数据系统，但是到了20世纪80年代中期，以前使用开关电容的系统开始寻求采用数字信号处理解决问题。

虽然数字信号处理方法通常能耗大、硅片面积可利用率低，但他能提供良好的时价比，较容易进行计算机辅助设计，测试方法简单，并且随着VLSI(超大规模集成电路)特征尺寸减小，复杂度增加，以至于一个完整系统可以集成在一个硅片上，也就是SOC(片上系统)，这就改变了开关电容的作用。