模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第四十一節(jié):開(kāi)關(guān)電容濾波器

8.6 開(kāi)關(guān)電容濾波器

一、開(kāi)關(guān)電容濾波器基本原理

開(kāi)關(guān)電容濾波器是由MOS電容、開(kāi)關(guān)和運(yùn)放組成，其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造簡(jiǎn)易、價(jià)廉，性能較好，大有取代一般濾波器的趨勢(shì)。

開(kāi)關(guān)電容濾波器的基本原理是，電路的兩節(jié)點(diǎn)間接有帶高速開(kāi)關(guān)的電容器，其效果相當(dāng)于該兩節(jié)點(diǎn)間連接一個(gè)電阻。圖1a所示是一個(gè)有源RC積分器。在圖b中，用一個(gè)接地電容C1和用作開(kāi)關(guān)的源、漏極可互換的增強(qiáng)型MOS三極管T1、T2來(lái)代替輸入電阻R1（注意此處T1、T2用的是簡(jiǎn)化符號(hào)）。圖中T1、T2用一個(gè)不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖1c。假定時(shí)鐘頻率fc(=1/Tc)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率，那么，在f1為高電平時(shí)，T1導(dǎo)通而T2截止[見(jiàn)圖1d]。此時(shí)C1與輸入信號(hào)vI相連，即有：

qC1=C1vI

而在f2為高電平時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通。于是，C1轉(zhuǎn)接到運(yùn)放的輸入端，如圖e所示。此時(shí)，C1放電，將C1原來(lái)所充電荷qC1傳輸?shù)紺2上。

由此可見(jiàn)，在每一時(shí)鐘周期Tc內(nèi)，從信號(hào)源中提取的電荷qC1=C1vI。供給了積分電容C2。因此，在節(jié)點(diǎn)1、2之間流過(guò)的平均電流為

如果Tc足夠短，可以近似認(rèn)為這個(gè)過(guò)程是連續(xù)的，因而由上式可以在兩節(jié)點(diǎn)間定義一個(gè)等效電路Req，即

和 （1）

這樣，就可以得到一個(gè)等效的積分時(shí)間常數(shù)

（2）

顯然，影響濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)取決于時(shí)鐘周期TC和電容比值C2/C1，而與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。在MOS工藝中，電容比值的精度可以控制在0.1%以內(nèi)。這樣，只要選用合適的時(shí)鐘頻率（如fc=100kHz），和不太大的電容比值（如10），對(duì)于低頻率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，就可獲得合適的時(shí)間常數(shù)（如10–4s）。

二、同相開(kāi)關(guān)電容積分器和反相開(kāi)關(guān)電容積分器

開(kāi)關(guān)電容積分器電路如圖1所示。由圖a可知，當(dāng)f1為高電平，T1、T3導(dǎo)通，vI對(duì)C1充電；當(dāng)vI為正，在圖示vC1的假定正向下，充電結(jié)果vC1有一負(fù)電壓。當(dāng)f2為高電平時(shí)，vC1將加到運(yùn)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(shí)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(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)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(yùn)放A1和A3構(gòu)成反相積分器，而A2構(gòu)成單位增益反相器，因而A2、A3構(gòu)成同相積分器。

對(duì)于輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，vo1具有二階帶通特性，而vo3具有低通特性。其傳遞函數(shù)分別為

（1）

（2）

在前述開(kāi)關(guān)電容積分器的基礎(chǔ)上，根據(jù)等效關(guān)系，由圖a得到圖b所示的開(kāi)關(guān)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(yùn)放A2所組成的同相積分器所代替。

四、單片集成開(kāi)關(guān)電容濾波器

自1978年以來(lái)，國(guó)外已批量生產(chǎn)了各種開(kāi)關(guān)電容濾波器，在脈沖調(diào)制編碼（PCM）通信①語(yǔ)言信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，僅美國(guó)就有多家公司生產(chǎn)各種開(kāi)關(guān)電容濾波器。目前生產(chǎn)品種數(shù)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(chǎn)品為例作一簡(jiǎn)單介紹。

美國(guó)Linear Technology公司生產(chǎn)通用型（可組合為低通、高通、帶通等）和低通型開(kāi)關(guān)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(shí)，時(shí)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(dá)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(nèi)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(kāi)關(guān)電容濾波器工作頻率正向著高頻發(fā)展，而寬帶噪聲比80年代初的開(kāi)關(guān)電容濾波器約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，某些型號(hào)的產(chǎn)品已能對(duì)微伏數(shù)量級(jí)的有用信號(hào)進(jìn)行濾波。