2.3开关电容滤波器

2.3开关电容滤波器 第三节 开关电容滤波器 (Switched Capacitor Filter简称SCF) 有源RC滤波电路的缺点:由于要求有较大的电容和精确的RC时间常数，以致于在芯片上制造集成组件难度大，几乎不可能。 随着MOS工艺的迅速发展，由MOS开关电容和运放组成的开关电容滤波器已于1975年实现了单片集成化。 其优点为:这种滤波器不需要模数转换器，就可以对模拟量的离散值直接进行处理。与数字滤波器比较，省略了量化过程，因而具有处理速度快，整体结构简单等优点。此外，它制造简单，价廉，因而受到各方面的重视，经过20多年的发展，开关电容滤波器的性能已达到相当高的水平，在某些应用场合大有取代一般有源滤波器的趋势。 ?基本原理(电容器代替电阻) 电路两点间接有高速开关的电容器，其效果相当于两节点间连接一个电阻。 图3-1(a)为一个有源RC低通滤波器(积分器) 图3-1(b)中从1点到2点:一个接地电容C1和用做开关的源漏两 极可互换的增强型MOSFET T1，T2来代替输入电阻R1。 工作过程 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 : T1，T2用两个如图3-1(c)不重叠的两相时钟脉冲φ1,φ2来驱动。假定时钟频率远高于信号频率。 ?φ1为高电平，φ2为低电平期间T1导通T2截止。等效电路如图3-1(d): 此时，C1与Vi相连并被充电，即有: q=C*V c111 ?φ2为高电平，φ1为低电平期间T1截止，T2导通。等效电路如 图3-1(e): C1转接到运放的输入端，此时，C1放电，所充电荷传输到C2上。由此可见，在每一个时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷供给了电容器C2。 因此，在节点1，2之间的平均电流为: i=C*V/Tc av11 如果Tc足够短，可近似认为这个过程是连续的，因此1，2之间的等效电阻为: Req=V/i=Tc/C Iav1 因此，可得到一个等效的积分器时间常数τ: τ=C2*Req=Tc*C2/C1 结论: (1)显然影响波器频率响应的时间常数取决于时钟周期Tc和电容的 比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。 (2)在MOS工艺中，电容比值的精度可以控制在0.1%以内。电容值的 精度则不行。改变开关工作频率，可以改变时间常数，即可改 变滤波器参数。 (3)例如:只要合理选用时钟频率(如100kHz)和不太大的电容比值(如10)，对于低频应用来说，可以获得合适的大时间常数(如100uS)。等效为:C=1uF，R=100Ω 或 C=0.1uF，R=1kΩ 在开关电容技术中，用电容和金属氧化物场效应晶体管开关代替电阻，在时钟的控制下，将输入电压转换成开关电容上的电荷，经过电荷转移，变成存储电容上的电压输出，从而实现参数可调的滤波功能。 ? 开关电容滤波器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (将有源RC滤波器转换成SCF) 在实际应用中，需要LPF，HPF，BEF和APF滤波器。对应不同性能，不同阶次的滤波器的传递函数也不一样。实现起来的电路也多种多样。这里只通过一个实例，说明如何利用开关电容等效电阻原理，将RC有源滤波器转换成开关电容滤波器。 ? 图3-2(a)同相开关电容积分器和图3-2(b)反相开关电容积分器 分析: (a)当φ1为高电平,φ2为低电平期间:T1，T3导通，T2，T4截止，Vi对C1反向充电，结果Vc1为一负电压，Vo=Vc2不变。 (b)当φ2为高电平，φ1低电平期间:T2，T4导通，T1，T3截止，Vc1将加到运放反相端，C1上的电荷快速放完。使Vo为正，与Vi同相，故为同相积分电路。当切换速度很快时，Vo波形连续。 同样可以证明图3-2(b)为反相积分器。 (2) 双二阶(带通和低通)RC有源滤波器转换为开关电容滤波器 (双二阶滤波器，即它的传递函数的分母、分子均为二阶函数) 图3-2(a)所示为双二阶(带通和低通)RC有源滤波器，运放Al构成反相积分器，而A2构成单位增益反相器，因而A2、A3构成同相积分器。对于输人信号Vi来说，Vo1具有二阶带通特性，而Vo3具有低通特性。其传递函数分别为: 在前述开关电容积分器的基础上，根据等效关系，由图3-2(a)可得到图3-2(b)所示的开关电容带通滤波器电路和低通滤波器电路。 其中同相积分器用上面介绍图3-2(a)的电路替代，电阻R1，R3，R4分别用图3-1(a)中的等效电阻替代。 3.单片集成开关电容滤波器简介 1978年以来，国外已批量生产，开关电容滤波器。在脉冲编码调制PCM通信，语音信号处理领域得到广泛的应用。 仅美国就有MAXIM，AD，TI和Linear等公司生产各种型号的开关电容滤波器。目前品种量多，性能好，频率和相位特性最佳的是Linear Technology公司。 集成有源滤波器实例 (1)(MAX291/292/295/296 美国美信(MAXIM)公司 特点，技术指标和典型应用电路: 引脚说明 单电源供电电路 独立的运放 Butterworth滤波器和Bessel滤波器的性能比较 高阶开关电容滤波器的电路结构 biquadratic adj.四乘幂的, 四次的 (四阶每节) quadratic adj.二阶的, 二次的 2(MAX293/294/297 (elliptic,椭圆滤波器) 本章小结 ?有源滤波电路通常是由运放和RC 反馈网络构成的电子电路，根据幅频响应不同，可分低通，高通，带通，带阻和全通。高阶滤波器一般都是由一阶和二阶有源滤波电路组成。而且电路的传递函数的分母相同，分子中的阶次为0，1，2或其组合。 ?开关电容滤波器的滤波特性决定于电容比和时钟频率，可实现高精度和高稳定性，同时便于集成。这些是有源RC滤波器所远不及的。目前集成开关电容滤波器除工作频率还不够高外，大部分性能指标已达到较高的水平。 ?两种有源滤波器的比较 有源SCF:缺点:波形上有开关噪声。 优点:使用方便，便于集成，阶数可以做得很高。 有源RC:优点:波形连续光滑，无噪声。 缺点:设计使用复杂，电容不便于集成，阶数不高。 补充资料 一.信号的频谱 频谱:将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随 角频率变化的分布，称为该信号的频谱。 1. 电信号的时域与频域表示 A. 正弦信号 v(t),Vsin(,t，,)m0 2π T,,,2πf00,0 时域 B. 方波信号 方波的时域表示 满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数 V2V11SSv(t),，(sin,t，sin3,t，sin5,t，L) 0002π35 V2πS,,其中:， ——直流分量 0T2 2V2V1SS,——基波分量， ——三次谐波分量 ππ3 频谱:将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频 率变化的分布，称为该信号的频谱。 幅度谱 相位谱 C. 非周期信号 傅里叶变换: 周期信号(正弦波，方波)----离散频率函数 气温波形 非周期信号(气温，压力等)------连续频率函数 非周期信号包含了所有可能的频率成分 通过快速傅里叶变换(FFT)可迅速求出非周期信号的频谱函数。 气温波形的频谱函数(示意图) 二.频率响应 A.非线性失真: B.频率失真(线性失真) 幅度失真:对不同频率的信号增益不同，产生的失真。 相位失真:对不同频率的信号相移不同，产生的失真。