開(kāi)關(guān)電容低通濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：為了濾除信號(hào)中摻雜的高頻噪聲，設(shè)計(jì)一種六階級(jí)聯(lián)式開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，以數(shù)據(jù)采樣技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有源RC濾波器中的大電阻，有利于電路的大規(guī)模集成。濾波器由雙二階子電路級(jí)聯(lián)而成，電路中的電容值利用動(dòng)態(tài)定標(biāo)技術(shù)計(jì)算確定。用Hspice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：開(kāi)關(guān)電容低通濾波器能較好地時(shí)信號(hào)進(jìn)行整形，其頻率特性符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：低通濾波器；開(kāi)關(guān)電容；Hspice；雙二階；動(dòng)態(tài)定標(biāo)

濾波技術(shù)是信號(hào)分析和處理中的重要分支，它的作用是從接收到的信號(hào)中提取有用的信息，抑制或消除無(wú)用的或有害的干擾信號(hào)，有助于提高信號(hào)完整度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。濾波器正是采用濾波技術(shù)的具有一定傳輸選擇性的信號(hào)處理裝置。隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)和MOS工藝的飛速發(fā)展，模擬集成濾波器的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重大課題，也是當(dāng)今國(guó)際上的前沿課題。
傳統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間模擬濾波器采用有源RC結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用到較高的頻率，但是電路中多采用大電容和大電阻，在集成電路制造時(shí)會(huì)占用大量的芯片面積。在現(xiàn)代集成電路工藝中，很難得到精確的電阻值和電容值，而且電阻值隨溫度變化很大，精度只能達(dá)到30％。
1972年，美國(guó)科學(xué)家Fried發(fā)表了用開(kāi)關(guān)和電容模擬電阻R的論文，由此開(kāi)關(guān)電容技術(shù)成為模擬集成濾波器設(shè)計(jì)中常用的方法。開(kāi)關(guān)電容濾波器是由運(yùn)算放大器、電容器和MOS開(kāi)關(guān)組成的有源開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)據(jù)采樣技術(shù)代替大電阻，減小了芯片的面積和功耗，且電路的極點(diǎn)和時(shí)間常數(shù)由電容的比值確定，可實(shí)現(xiàn)高精度的模擬集成濾波器。本文設(shè)計(jì)一種開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，用于濾除有用信號(hào)中摻雜的高頻噪聲。

1 開(kāi)關(guān)電容技術(shù)的原理
圖1中的開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路由兩個(gè)獨(dú)立的電壓源V1、V2，兩個(gè)受控開(kāi)關(guān)S1、S2和電容C組成。開(kāi)關(guān)S1和S2受兩相不交疊的時(shí)鐘φ1和φ2控制，時(shí)鐘頻率均為fs。

在時(shí)鐘φ1和φ2的控制下，兩個(gè)開(kāi)關(guān)周而復(fù)始地閉合與斷開(kāi)。φ1閉合時(shí)，C充電到V1，φ2閉合時(shí)，C放電到V2，傳輸?shù)目傠姾蔀镃(V1-V2)，流向V2的平均電流為：
I=Qfs=C(V1-V2)*fs (1)
根據(jù)歐姆定律，可知此開(kāi)關(guān)電容電路的等效電阻(如圖1(b)所示)為：
Req=1／Cfs (2)
利用開(kāi)關(guān)電容等效電阻電路的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了硅片面積。以圖1(a)電路為例，若時(shí)鐘頻率為200 kHz，要模擬一個(gè)阻值為10 MΩ的大電阻，所需的電容值為0．5 pF，所消耗的硅片面積僅為標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成的硅成型電阻面積的1％。此外，開(kāi)關(guān)電容模擬電阻的阻值容易調(diào)節(jié)，在對(duì)電路原有結(jié)構(gòu)幾乎不做任何改動(dòng)的前提下，僅通過(guò)調(diào)整電容的比值就能改變整體電路的參數(shù)。

2 低通濾波器的總體設(shè)計(jì)
文中設(shè)計(jì)的低通濾波器主要用于濾除有用信號(hào)中的高頻噪聲，截止頻率為20 kHz，開(kāi)關(guān)電容采樣時(shí)鐘頻率為1 MHz，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，文中設(shè)計(jì)一種六階低通濾波器，采用級(jí)聯(lián)式開(kāi)關(guān)電容濾波器的設(shè)計(jì)方法，也就是直接將低階濾波器連接起來(lái)而確定高階濾波器的傳遞函數(shù)。高階濾波器(高于3階)主傳遞函數(shù)的分子和分母被分解成一階或二階子函數(shù)，每個(gè)低階濾波器都具有各自的緩沖電路，級(jí)聯(lián)在一起不會(huì)相互影響，調(diào)試電路時(shí)易于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。