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如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-03-19 08:37 ? 次閱讀

來自物聯網IoT傳感器和制造商項目的模擬信號模數轉換器ADC)數字化之前需要進行一些電平信號處理。然而,這種模擬信號處理級可能體積龐大,成本高,不準確并且在整個溫度范圍內不穩定。使用開關電容濾波器進行抗混疊,設計人員可以大大減輕這些問題,同時簡化設計過程。

需要使用抗混疊低通濾波器來確保傳感器信號在ADC之前具有適當的帶寬限制。典型的無源低通濾波器需要龐大的電感器和大電容器。就有源而言,有源電阻 - 電容(RC)濾波器需要大值RC時間常數。在這兩種情況下,濾波器對RC元件容差和溫度穩定性都很敏感。

此外,在集成電路中難以以合理的精度實現大電阻值。這導致IC設計帶有外部電阻和電容,從而增加了濾波器的元件數量,成本,復雜性和體積。

為解決這些問題,設計人員應考慮開關電容架構以提高精度和過濾器的容積效率。這些設計通過精確定時的開關元件控制電容器之間的電荷轉移,提供相當于電阻的電阻。電容器和相關開關很容易以單片形式實現。

本文將詳細介紹開關電容濾波器(SCF)的操作原理,作為無源和有源濾波器的替代方案。將介紹樣本解決方案以說明它們是如何實現的。

什么是別名?

包括ADC和DAC的采樣數據系統必須符合奈奎斯特標準,該標準規定設備必須是采樣量大于輸入端出現的最高頻率的兩倍。如果通過在頻率過低的頻率下采樣來違反奈奎斯特準則,則在濾波器的頻率通帶中會出現不需要的雜散信號(圖1)。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖1:當采樣率小于輸入信號帶寬的兩倍時產生混疊。來自下邊帶圖像的關于采樣頻率的信號分量被外差到基帶信號中,導致無法消除的失真。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)

上圖顯示了以大于信號帶寬兩倍的頻率采樣的時域信號(左)。右側的頻域視圖顯示從DC到fBW的基帶信號與采樣頻率fS的下邊帶圖像分開。

下圖顯示混疊條件。時域信號(左)在信號帶寬的兩倍以下被采樣,違反了奈奎斯特準則。在頻譜(右)中,采樣頻率向左移動,反映了較低的采樣率。關于采樣時鐘的圖像的下邊帶現在與使用寄生信號污染其頻譜的基帶信號重疊。一旦發生這種情況,原始信號就不再可恢復。

有兩種常用的方法可以防止混疊。可以使用低通濾波器將輸入限制為ADC。這就是SCF的用武之地。也可以將采樣率提高到足以保證采樣率大大超過輸入信號帶寬。

配置為低通濾波器的SCF做了令人欽佩的預防工作走樣;但它們也是采樣數據系統,因此必須符合奈奎斯特標準。然而,SCF通過要求采樣頻率為輸入信號帶寬的五十到一百倍來避免混疊。這提供了足夠的保護帶以防止混疊。如果使用較低的采樣頻率,則可以在SCF之前使用簡單的抗混疊濾波器以防止混疊。在大多數情況下,這些濾波器可以像單極RC低通濾波器一樣簡單。

開關電容與連續時間濾波器

使用簡單的方法將SCF與連續時間濾波器進行比較很容易單極RC低通濾波器(圖2)。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖2:將連續時間RC低通濾波器與SCF進行比較,表明開關電容充當電阻器。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)

頂部原理圖顯示了一個簡單的單極RC低通濾波器。 -3分貝(dB)帶寬表示為公式1:

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

低頻濾波器截止頻率需要較大的電阻值。如果將這樣的電阻器結合到單片IC中,則電阻的容差將在20%至50%的量級。

圖1中的下部示意圖是相同的開關電容器實現。低通濾波器。開關S1和S2由頻率為fS的非重疊時鐘j1和j2驅動。 S1首先將輸入電容器C2連接到輸入VIN。然后S1打開,S2關閉,允許C2與C1共享其電荷。從輸入(VIN)傳輸到輸出(VOUT)的電荷使用公式2計算:

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

在開關電容配置中,帶寬取決于采樣或時鐘頻率,以及開關電容器C2與積分電容器C1的比率。在單片IC結構中,電阻器由小值電容器和開關代替。這兩個元件都很容易集成到IC中,只占用芯片上的一小塊區域。

濾波器的截止頻率與采樣時鐘頻率成正比,因此時鐘可用于調整濾波器,這是靈活性方面的一個重要特征。采用高質量的采樣時鐘源可確保時鐘頻率的準確性和穩定性,從而保證濾波器的轉角頻率。

另請注意,截止頻率與電容值的比例成正比,可以是在IC結構中保持在<0.1%的容差水平。溫度變化同時影響電容器,并且比率趨于保持恒定。

開關電容濾波器構建模塊

濾波器圍繞配置為積分器的無功元件構建。通常,濾波器設計為每個積分器獲得一個極點。開關電容取代模擬積分器設計中的電阻元件(圖3)。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖3:開關電容取代了模擬積分器中的電阻。使用由兩相時鐘驅動的CMOS FET實現開關元件。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)

開關電容用于替換模擬積分器中的電阻。使用由非重疊j1和j2時鐘驅動的兩個CMOS FET實現切換。

實際上,像雙極通用狀態變量設計這樣的模擬濾波器可以作為CMOS開關電容濾波器執行(圖4)圖4:雙極狀態變量通用濾波器與SCF的比較。圖。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖4:兩極狀態變量通用濾波器與SCF的比較。兩者都是通用濾波器,提供高通,低通和帶通輸出(圖像源:Digi-Key Electronics(A)和Texas Instruments(B))

SCF(B)實際上是功能框圖德州儀器(TI)的MF10CCWMX/NOPB雙通用SCF。與模擬狀態變量濾波器一樣,它每個部分包含兩個積分器級。在這種情況下,它們是開關電容積分器。每個部分都可以實現兩極二階濾波器,最大截止頻率為30 kHz。連接這兩個部分允許在單個IC封裝中實現四階濾波器。它不需要任何外部電容,只需要電阻。它需要一個所需截止頻率的50或100倍的時鐘。

SCF實現的一個例子是使用MF10的兩個部分來創建一個1 KHz的低通濾波器(圖5)。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖5:使用MF10 SCF IC實現的四階1 kHz低通濾波器。 (圖像來源:德州儀器

集成和開關電容都在20引腳IC內部。用于設置濾波器特性的唯一外部元件是電阻器。該電路設計使用單個10伏電源配置MF10。時鐘頻率是1 kHz截止頻率的100倍。

使用SCF進行設計

供應商可能會提供設計工具來加速設計階段。一個例子是ADI公司的LTC1060雙通用濾波器構建模塊IC,它在公司的LTspice XVII仿真程序中得到了支持(圖6)。

如何使用開關電容濾波器提高精度和過濾器的容積效率

圖圖6:在ADI公司的LTspice XVII中建模的4極低通濾波器的設計,顯示了原理圖和頻率/相位響應曲線。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)

ADI公司為LTC1060濾波器構建模塊提供了一個spice模型。它是一款雙通用SCF IC,工作頻率高達30 kHz,最大時鐘頻率為500 kHz。每個濾波器部分包含兩個積分器,每個部分提供兩個極點。憑借其六種工作模式,它可配置為低通,高通,帶通或帶阻濾波器。該設計實例結合了IC的兩個部分,創建了一個4 kHz 200 Hz低通濾波器,其時鐘頻率為10 kHz。該設計僅使用七個電阻器,不使用電容器或電感器。

除了這些通用濾波器外,還有特定濾波器類型的SCF。 Bessel,Butterworth,橢圓和線性相位濾波器配置可從主要供應商處獲得。

結論

如圖所示,SCF提供精確的頻譜控制,可在集成電路上輕松實現。與基于模擬RC的濾波器相比,它們提供了性能,尺寸和成本改進,而在有源濾波器的情況下,它們無需外部無功元件即可實現。一個強大的優勢是可以通過改變時鐘頻率來實時改變濾波器的頻率特性。

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