模擬電路網絡課件 第四十一節:開關電容濾波器

8.6 開關電容濾波器

一、開關電容濾波器基本原理

開關電容濾波器是由MOS電容、開關和運放組成，其整體結構簡單、制造簡易、價廉，性能較好，大有取代一般濾波器的趨勢。

開關電容濾波器的基本原理是，電路的兩節點間接有帶高速開關的電容器，其效果相當于該兩節點間連接一個電阻。圖1a所示是一個有源RC積分器。在圖b中，用一個接地電容C1和用作開關的源、漏極可互換的增強型MOS三極管T1、T2來代替輸入電阻R1（注意此處T1、T2用的是簡化符號）。圖中T1、T2用一個不重疊的兩相時鐘脈沖來驅動（見圖1c。假定時鐘頻率fc(=1/Tc)遠高于信號頻率，那么，在f1為高電平時，T1導通而T2截止[見圖1d]。此時C1與輸入信號vI相連，即有：

qC1=C1vI

而在f2為高電平時，T1截止，T2導通。于是，C1轉接到運放的輸入端，如圖e所示。此時，C1放電，將C1原來所充電荷qC1傳輸到C2上。

由此可見，在每一時鐘周期Tc內，從信號源中提取的電荷qC1=C1vI。供給了積分電容C2。因此，在節點1、2之間流過的平均電流為

如果Tc足夠短，可以近似認為這個過程是連續的，因而由上式可以在兩節點間定義一個等效電路Req，即

和 （1）

這樣，就可以得到一個等效的積分時間常數

（2）

顯然，影響濾波器頻率響應的時間常數取決于時鐘周期TC和電容比值C2/C1，而與電容的絕對值無關。在MOS工藝中，電容比值的精度可以控制在0.1%以內。這樣，只要選用合適的時鐘頻率（如fc=100kHz），和不太大的電容比值（如10），對于低頻率應用來說，就可獲得合適的時間常數（如10–4s）。

二、同相開關電容積分器和反相開關電容積分器

開關電容積分器電路如圖1所示。由圖a可知，當f1為高電平，T1、T3導通，vI對C1充電；當vI為正，在圖示vC1的假定正向下，充電結果vC1有一負電壓。當f2為高電平時，vC1將加到運放的反相端，使vO為正，與vI同相，因此，圖1a是同相積分電路。如果將T3、T4的時鐘相位反相，如圖1b所示，讀者不難證明，圖b具有反相積分器的功能。

三、RC有源積分濾波器轉換成開關電容濾波器

圖1所示為雙二階（帶通和低通）RC有源濾波器，運放A1和A3構成反相積分器，而A2構成單位增益反相器，因而A2、A3構成同相積分器。

對于輸入信號來說，vo1具有二階帶通特性，而vo3具有低通特性。其傳遞函數分別為

（1）

（2）

在前述開關電容積分器的基礎上，根據等效關系，由圖a得到圖b所示的開關電容帶通濾波器和低通濾波器電路。圖b中T1~T4和C3、T5~T8和C4、T9~T12和C5，T13~T16和C6分別等效圖a中的R4、R1、R2和R3。而圖a中的同相積分器，在圖b中由T9~T12、C5、C2和運放A2所組成的同相積分器所代替。

四、單片集成開關電容濾波器

自1978年以來，國外已批量生產了各種開關電容濾波器，在脈沖調制編碼（PCM）通信①語言信號處理等領域得到了廣泛應用，僅美國就有多家公司生產各種開關電容濾波器。目前生產品種數量多、性能好、頻率和相位特性最佳的是Linear Technology公司。下面以該公司的產品為例作一簡單介紹。

美國Linear Technology公司生產通用型（可組合為低通、高通、帶通等）和低通型開關電容濾波器，通用型中包含LTC1064（8階，fo=0.1~140kHz，高速fCP max=7MHz，fCP= 1MHz時，時鐘饋通噪聲電壓 ），LTC1164（8階，fo=0.1~20kHz，低功耗，fCP max=500kHz）。低通型有十余種，大部分均是8階的，其LTC1064-1和LTC106404的衰減特性達72dB/倍頻程和80dB/倍頻程；LTC1064-3、LTC10640-5等5種8階低通濾波器均具有線性相位特性，在通帶內的相位特性非線性誤差在±0.5°~±0.7°。特別值得指出提，目前開關電容濾波器工作頻率正向著高頻發展，而寬帶噪聲比80年代初的開關電容濾波器約小兩個數量級，某些型號的產品已能對微伏數量級的有用信號進行濾波。