开关电容滤波器

时间：2023-03-15作者：佚名

模拟集成电路新技术(New Analog IC Technologies)

模拟集成电路飞速发展，使用MOS器件的模拟集成电路逐渐成为主流。MOS器件具有尺寸小、功耗低等优点，特别是它可以兼容数字电路的主流工艺。

采用数字工艺实现模拟功能：滤波中的开关电容技术和数据转换中的∑-△技术

连续时间系统和离散时间系统

方框代表一个系统，该系统可以是线性的或非线性的，也可以是处理连续时间（模拟）信号的连续时间系统或处理离散信号的离散时间系统。

模拟电子系统就是典型的连续时间系统。

数字电子系统就是典型的离散时间系统。

抽样数据处理系统

连续信号在离散瞬时间nT（n=0，1，2，…）下抽样就得到抽样数据信号，用x=(nT)表示，T为抽样周期。

抽样数据处理系统：处理抽样数据信号的系统称为抽样数据处理系统。

抽样数据输入和输出信号通常表示成离散变量nT的函数。

x=x(nT)，y=y(nT)

抽样数据信号只在离散瞬时改变，因此，属于离散时间系统。

抽样数据电路

抽样数据电路处理的是抽样信号，即时间离散而幅度连续的信号，它是一种离散时间电路，所以其基本单元与数字电路类似，但因它所处理的信号没有量化，所以不会产生量化噪声。

抽样数据电路主要有三种类型：
电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）
开关电容电路（SC，Switched Capacitor Circuits）
开关电流电路（SI，Switched Current Circuits）

开关电容电路

开关电容由两个MOS开关和MOS电容组成。
Φ1和Φ1是不重叠的两相时钟脉冲，因此两只MOS管轮流导通。

用开关电容来模仿电阻

开关电容相当于一个电阻

原理分析 :

在t=(n-1)TC时刻，开关打在左边，电容充电至v1(t)，其充电量为

q_C(t)=C _v1[(n-1)T_C]

在(n-1/2)T_C时刻，开关打在右边，电容放电至v₂(t)，电容上电量为

q_C(t)=q_C [(n-1/2)T_C]=C _v2[(n-1/ 2)T_C]

在每一个时钟周期T_C内，电容上电荷的变化量为

从近似平均的角度看，可以把一个T_C内由v₁(t)送往v₂(t)的ΔqC(t)等效为一个平均电流iC(t)，其大小为：

因为时钟脉冲周期TC远远小于v₁(t)和v₂(t)的周期，故在T_C内可认为v₁(t)和₂(t)v₂(t)是恒值。

开关电容能模拟成电阻，解决了模拟集成电路制造中的一个关键问题。因为在集成电路制造过程中，电阻常常受到容差和热漂移所困扰，而且要占据昂贵的芯片面积。

例如，制造一个10MΩ的集成电阻所占硅片衬底面积约为1mm2，而制造一个10MΩ的开关电容模拟电阻，在f_C=100kHz时，只要制造1pF的MOS电容，该电容占用的硅片衬底面积只有0.01 mm2。

开关电容积分器
模拟积分器



用开关电容代替积分器中的电阻

当ω_C>>ω时,由v_I流向求和节点的电流就可以认为是连续的。

结论：

电路中没有电阻。

特征频率ω₀取决于电容比值，采用现有的技术，很容易就可以达到低至0.1%的比值容差。

特征频率ω₀与时钟频率f_c成比例，表明开关电容必然是可编程的。改变会在频谱图上使响应上移或下移。另一方面，如果需要一个固定和稳定的特征频率f_C，则可用一石英晶体振荡器来产生f_C。

有源双二阶滤波器

SC双二阶滤波器

单片集成滤波器

单片集成滤波器大都是SCF。原因是它的时间常数取决于电容化集成工艺，可实现高精度和高稳定度的电容比。

单片集成SCF较具代表性的产品主要有美国Linear Technology（凌特）公司生产的通用型（可组合为低通、带通、高通等）和低通SCF两类。通用型SCF主要有：LTC1059（2阶）、LTC1060（4阶）、LTC1061（6阶）、LTC1064（8阶）等。低通SCF主要有：LTC1062/1063（5阶）、LTC1064（8阶）。

TL14——巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器

（1）低成本、易用；

（2）滤波器的截止频率取决于外部时钟频率；

（3）截止频率范围从0.1Hz至30kHz。