開(kāi)關(guān)電容濾波器是由MOS開(kāi)關(guān)、MOS電容和MOS運算放大器構成的一種大規模集成電路濾波器。開(kāi)關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要A/D、D/A變換，簡(jiǎn)化了電路設計，提高了系統的可靠性。此外，由于MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功耗等方面都有獨特的優(yōu)勢，為開(kāi)關(guān)電容濾波器電路的迅猛發(fā)展提供了很好的條件。

 

 

SCF電路的實(shí)質(zhì)是采樣數據系統，它直接處理模擬連續信號。與數字濾波器相比，省去了A/D、D/A裝置，這也是SCF能很快進(jìn)入應用的原因之一。因此，SCF雖然在離散域工作，但仍屬模擬濾波器之列。

 

各類(lèi)SCF的設想主要起因于流過(guò)電阻器與開(kāi)關(guān)電容的電荷相同。這一點(diǎn)是很自然的，有源RC濾波技術(shù)已有效地取代了電感器，開(kāi)關(guān)電容技術(shù)首先的設想當然是試圖用開(kāi)關(guān)電容(SC)來(lái)取代電阻器。

 

開(kāi)關(guān)電容濾波器的基本原理是，電路的兩節點(diǎn)間接有帶高速開(kāi)關(guān)的電容器，其效果相當于該兩節點(diǎn)間連接一個(gè)電阻。

 

由 MOS開(kāi)關(guān)、電容器和運算放大器構成的一種離散時(shí)間模擬濾波器。開(kāi)關(guān)電容濾波器廣泛應用于通信系統的脈沖編碼調制。在實(shí)際應用中它們通常做成單片集成電路或與其他電路做在同一個(gè)芯片上。通過(guò)外部端子的適當連接可獲得不同的響應特性。某些單獨的開(kāi)關(guān)電容濾波器可作為通用濾波器應用。例如自適應濾波、跟蹤濾波、振動(dòng)分析以及語(yǔ)言和音樂(lè )合成等。但運算放大器帶寬、電路的寄生參數、開(kāi)關(guān)與運算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪聲等,都會(huì )直接影響這類(lèi)濾波器的性能。開(kāi)關(guān)電容濾波器的工作頻率尚不高，其應用范圍目前大多限于音頻頻段。 開(kāi)關(guān)電容濾波器 基本原理 最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電容濾波器見(jiàn)圖1。開(kāi)關(guān)K置于左邊時(shí),信號電壓源u1向電容器C1充電;K倒向右邊時(shí)，電容器C1向電壓源u2放電。當開(kāi)關(guān)以高于信號的頻率fc工作時(shí),使C1在u1和u2的兩個(gè)電壓節點(diǎn)之間交替換接,那么C1在u1、u2之間傳遞的電荷可形成平均電流I=fcC1(u1-u2)，相當于圖1a的u1和u2之間接入了一個(gè)等效電阻,其值為1/fcC1。這樣，圖1a的開(kāi)關(guān)電容電路就可等效于一階有源低通濾波器(圖1b)，其傳遞函數為

 

H(jω)= j (fc/ω) (C1/C2);

 

式中ω=2πf。從上式可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)電容濾波器的傳遞特性取決于比值C1/C2和開(kāi)關(guān)頻率fc。事實(shí)上，圖1b是一個(gè)積分電路，因此，開(kāi)關(guān)電容濾波器可用于模擬濾波器的相應電路，以實(shí)現LC濾波器、有源濾波器等的特性。

 

設計 設計開(kāi)關(guān)電容濾波器的方法，大致可歸結為兩大類(lèi)。一類(lèi)以模擬連續濾波器為基礎，通過(guò)一定的變換關(guān)系把連續系統的網(wǎng)絡(luò )函數變換為對應的離散時(shí)間系統網(wǎng)絡(luò )函數，以便直接在離散時(shí)間域內精確設計。這時(shí)可把網(wǎng)絡(luò )函數分解為低階函數，然后用開(kāi)關(guān)電容電路模塊通過(guò)級聯(lián)或反饋結構實(shí)現。另一類(lèi)是以L(fǎng)C梯形濾波器為原型用信號流圖法或阻抗模擬法以開(kāi)關(guān)電容電路取代LC電路中的各支路或電阻、電感，元件之間有一一對應關(guān)系。

 

跳耦型開(kāi)關(guān)電容濾波器 有源濾波器跳耦電路的實(shí)現，是基于對無(wú)源LC梯形濾波器的模擬。這時(shí)跳耦電路的各支路分別對應于無(wú)源濾波器原型各支路，且其導納都是以積分函數形式出現的。 開(kāi)關(guān)電容濾波器 如果將跳耦電路各支路的積分函數用差分輸入的開(kāi)關(guān)電容積分器(圖2)實(shí)現，并計入端接負載的影響，就可以得到和五階LC低通濾波電路(圖3a)相對應的開(kāi)關(guān)電容濾波器電路(圖3b)，而且仍然保持原型無(wú)源LC濾波器的低靈敏度特性。

開(kāi)關(guān)電容積分器在每個(gè)時(shí)鐘周期對輸入信號取樣一次，為了避免輸出信號產(chǎn)生附加相移,嚴重影響濾波響應,必須如圖3b那樣，使相鄰積分器的開(kāi)關(guān)向相反的方向投擲。 開(kāi)關(guān)電容濾波器 電壓反向開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)電容濾波器 也是用LC濾波器為原型電路，但用開(kāi)關(guān)電容等效元件替換模擬元件。電路工作時(shí)要求用“電壓反向開(kāi)關(guān)”控制電容網(wǎng)絡(luò )中的電荷流動(dòng)，使等效元件內部開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)元件所構成的環(huán)路中沒(méi)有電荷流動(dòng)。

 

實(shí)現“電壓反向開(kāi)關(guān)”的方法很多，圖4a是用運算放大器構成的電壓跟隨器形式的電壓反向開(kāi)關(guān)，圖4b是它的電路符號。其工作過(guò)程是：當開(kāi)關(guān)K1閉合、K2打開(kāi)時(shí),因電壓跟隨作用,電容器CH上的電壓uH等于輸入電壓ua,即uH=ua;而在開(kāi)關(guān)K1打開(kāi)、K2閉合時(shí),電容CH上的電壓反向加在運算放大器輸入端。這樣，因運算放大器虛短路，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，端口上電壓恰好反向。 開(kāi)關(guān)電容濾波器 圖5a是按這種方法構成的五階低通電壓反向開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)電容濾波器的電原理圖，圖5b是它的原型電路。與跳耦型開(kāi)關(guān)電容濾波器相比，這種型式的電路需要的運算放大器數目較少，且仍能保持無(wú)源LC網(wǎng)絡(luò )的低靈敏度特性，但它的開(kāi)關(guān)時(shí)鐘相位關(guān)系比較復雜。

 

開(kāi)關(guān)電容濾波器

開(kāi)關(guān)電容濾波器還有許多種構成方式，如在波數字濾波器原理基礎上用開(kāi)關(guān)電容實(shí)現的波開(kāi)關(guān)電容濾波器。這種濾波器的原型電路可以是LC濾波器，也可以是含單位元的電路;而對選擇性要求比較尖銳的窄帶通濾波特性，可用N通道及偽N通道開(kāi)關(guān)電容濾波器所呈現的梳狀濾波特性實(shí)現。它們大多也以L(fǎng)C濾波器或含單位元電路為原型。由于它們各具特點(diǎn)，可用來(lái)構成型式多樣、用途廣泛的濾波電路。

 

開(kāi)關(guān)電容濾波器中的開(kāi)關(guān)是周期工作的，它的接通時(shí)間只占一個(gè)周期的一部分。如果幾組開(kāi)關(guān)輪流在一個(gè)周期內工作，就可構成時(shí)間復用的開(kāi)關(guān)電容濾波器，并可節省運算放大器，簡(jiǎn)化電路。改變時(shí)鐘頻率可改變電路參數，如中心率、峰值增益、選擇性等，因此可構成通用型多功能濾波器或可編程序開(kāi)關(guān)電容濾波器。

 

制造技術(shù) 開(kāi)關(guān)電容濾波器可用NMOS或CMOS工藝制造。制造技術(shù)關(guān)系到分布電容、開(kāi)關(guān)的通導電阻、放大器的帶寬、電容器公差以及電壓節點(diǎn)的泄漏電流。按標準工藝制造，通常能夠滿(mǎn)足應用于音頻范圍的要求。運用某些改進(jìn)的技術(shù)可以擴展工作頻段和進(jìn)一步減小電容器公差。