原创 开关电容滤波器及其设计

由 MOS开关、电容器和运算放大器构成的一种离散时间模拟滤波器。开关电容滤波器广泛应用于通信系统的脉冲编码调制。在实际应用中它们通常做成单片集成电路或与其他电路做在同一个芯片上。通过外部端子的适当连接可获得不同的响应特性。某些单独的开关电容滤波器可作为通用滤波器应用。例如自适应滤波、跟踪滤波、振动分析以及语言和音乐合成等。但运算放大器带宽、电路的寄生参数、开关与运算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪声等,都会直接影响这类滤波器的性能。开关电容滤波器的工作频率尚不高，其应用范围目前大多限于音频频段。

　　基本原理 　最简单的开关电容滤波器见图1。开关K置于左边时,信号电压源u₁向电容器C₁充电；K倒向右边时，电容器C₁向电压源u₂放电。当开关以高于信号的频率f_c工作时,使C₁在u₁和u₂的两个电压节点之间交替换接,那么C₁在u₁、u₂之间传递的电荷可形成平均电流I＝f_cC₁(u₁－u₂)，相当于图1a的u₁和u₂之间接入了一个等效电阻,其值为1/f_cC₁。这样，图1a的开关电容电路就可等效于一阶有源低通滤波器(图1b)，其传递函数为

式中ω＝2πf。从上式可见，开关电容滤波器的传递特性取决于比值C₁/C₂和开关频率f_c。事实上，图1b是一个积分电路，因此，开关电容滤波器可用于模拟滤波器的相应电路，以实现LC滤波器、有源滤波器等的特性。
　　设计 　设计开关电容滤波器的方法，大致可归结为两大类。一类以模拟连续滤波器为基础，通过一定的变换关系把连续系统的网络函数变换为对应的离散时间系统网络函数，以便直接在离散时间域内精确设计。这时可把网络函数分解为低阶函数，然后用开关电容电路模块通过级联或反馈结构实现。另一类是以LC梯形滤波器为原型用信号流图法或阻抗模拟法以开关电容电路取代LC电路中的各支路或电阻、电感，元件之间有一一对应关系。