开关电容滤波器)1。介绍
开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器组成的大规模集成电路滤波器。开关电容滤波器可以像数字滤波器一样直接处理模拟信号，无需A/D和D/A转换，简化了电路设计，提高了系统可靠性。此外，MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗方面具有独特的优势，为开关电容滤波电路的快速发展提供了良好的条件。
2.基本原则
SCF电路的本质是采样数据系统，直接处理模拟连续信号。与数字滤波器相比，节省了A/D和D/A器件，这也是SCF能够快速应用的原因之一。因此，尽管SCF工作在离散域，但它仍然属于模拟滤波器。
各种SCF的假设主要是因为流过电阻和开关电容的电荷相同。这是自然的。有源RC滤波器技术有效地取代了电感。开关电容技术的第一个想法是尝试用开关电容(SC)代替电阻。
开关电容滤波器的基本原理是电路的两个节点间接有带高速开关的电容，其作用相当于在两个节点之间连接一个电阻。
由MOS开关、电容和运算放大器组成的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码调制中。在实际应用中，它们通常被制成单片集成电路或与其他电路在同一芯片上。通过适当连接外部端子，可以获得不同的响应特性。一些独立的开关电容滤波器可以用作通用滤波器。如自适应滤波、跟踪滤波、振动分析、语言和音乐合成等。但是，运算放大器的带宽、电路的寄生参数、开关和运算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪声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，目前应用范围大多局限于音频频段。开关电容滤波器的基本原理最简单的开关电容滤波器如图1所示。当开关K置于左侧时，信号电压源u1对电容器C1充电；当K下降到右边时，电容器C1向电压源u2放电。当开关工作在高于信号的频率fc时，C1在u1和u2两个电压节点之间切换，u1和u2之间C1转移的电荷可以形成平均电流I=fcC1(u1-u2)，相当于图1a中u1和u2之间连接一个等效电阻，其值为1/fcC1。这样，图1a的开关电容电路可以等效于一阶有源低通滤波器(图1b)，其传递函数为
h(j)=j(fc/)(C1/C2)；
其中=2 f从上式可以看出，开关电容滤波器的传递特性取决于C1/C2比和开关频率fc。实际上，图1b是一个积分电路，因此开关电容滤波器可以用在模拟滤波器的相应电路中，以实现LC滤波器、有源滤波器等的特性。
设计开关电容滤波器的方法大致可分为两类。一种是基于模拟连续滤波器，通过一定的变换关系，将连续系统的网络函数转化为离散时间系统相应的网络函数，从而在离散时间域直接精确设计。这时可以将网络函数分解成低阶函数，然后用开关电容电路模块级联或反馈结构实现。另一类是基于LC梯形滤波器，用信号流图法或阻抗模拟法，用开关电容电路代替LC电路中的各支路或电阻、电感，元件之间存在一一对应关系。
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跳开关电容滤波器有源滤波器的跳耦合电路的实现是基于无源LC梯形滤波器的仿真。此时，跳耦电路的每个支路对应无源滤波器原型的每个支路，其导纳是积分函数的形式。如果用带差分输入的开关电容积分器(图2)实现跳耦电路各支路的积分功能，并考虑端接负载的影响，则可以得到对应于五阶LC低通滤波器电路(图3a)的开关电容滤波器电路(图3b)，仍然可以保持原型无源LC滤波器的低灵敏度特性。开关电容积分器每个时钟周期对输入信号采样一次。为了避免严重影响滤波响应的输出信号额外相移，相邻积分器的开关必须置于相反方向，如图3b所示。开关电容滤波器电压反转开关电容滤波器也采用LC滤波器作为原型电路，但用开关电容等效元件代替了模拟元件。电路工作时，要求用“电压反向开关”控制电容网络中的电荷流动，使等效元件内部开关动作时，元件形成的回路中没有电荷流动。
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实现“电压反向开关”的方法有很多。图4a是由运算放大器组成的电压跟随器形式的电压反向开关，图4b是其电路符号。工作过程如下：当开关K1闭合，K2打开时，由于电压跟随效应，电容ch上的电压uH等于输入电压ua，即uH=ua当开关K1断开而K2闭合时，电容器ch上的电压反向施加到运算放大器的输入端。这样，由于运算放大器的虚拟短路，端口上的电压正好在每个开关周期反转。开关电容滤波器图5a是以这种方式构造的五阶低通电压反向开关开关电容滤波器的电气原理图，图5b是其原型电路。与跳耦开关电容滤波器相比，这类电路需要更少的运算放大器，仍能保持无源LC网络的低灵敏度，但其开关时钟相位关系更复杂。
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开关电容滤波器还有很多其他的方法来构造开关电容滤波器，比如基于波数字滤波器原理的波开关电容滤波器。该滤波器的原型电路可以是LC滤波器或包含单位单元的电路。然而，具有尖锐选择性要求的窄带通滤波特性可以通过N沟道和伪N沟道开关电容滤波器的梳状滤波特性来实现。它们中的大多数也是基于LC滤波器或具有单位单元的电路。由于它们各自的特性，它们可以用来构成各种类型和广泛应用的滤波电路。
开关电容滤波器中的开关是周期性工作的，其导通时间只占一个周期的一部分。如果几组开关轮流工作在一个周期内，就可以构成一个时间复用的开关电容滤波器，并且可以省去运算放大器，简化电路。改变时钟频率可以改变电路参数，例如中心速率、峰值增益、选择性等。因此它可以构成通用的多功能滤波器或可编程开关电容滤波器。
制造技术开关电容滤波器可通过NMOS或CMOS工艺制造。制造工艺与分布电容、开关导通电阻、放大器带宽、电容容差、电压节点漏电流有关。按照标准工艺制造，通常可以满足音频范围的要求。可以使用一些改进的技术来扩展工作频带，并进一步降低电容器的容差。
