開關電容濾波器

開關電容濾波器是指對模擬連續信號直接進行數據採樣和處理的有源濾波器。它不含A/D (見模數轉換器)和D/A(見數模轉換器)變換環節。開關電容濾波器雖然工作在離散域，但是，它仍然是有源模擬濾波器。它廣泛用於音頻的通信系統中，通常做成單片集成電路，簡稱SCF。

在MOS工藝中，製造電阻要比製造電容難得多。有源濾波器，主要由電阻、電容和運算放大器組成。如果能把其中的電阻用電容加開關來代替，則構成了新的器件即開關電容濾波器。用來代替電阻的電容和開關都用MOS工藝製造，分別叫MOS電容和MOS場效應晶體管開關(又稱模擬開關)。 ^[1] 

開關電容濾波器(Switched Capacitor Filter)是由MOS開關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。其特點是:
　　1、當時鍾頻率一定時,開關電容濾波器的特性僅取決於電容的比值。由於採用了特種工藝,這種電容的比值精度可達0.01%,並且具有良好的温度穩定性；
　　2、當電路結構確定之後,開關電容濾波器的特性僅與時鐘頻率有關,改變時鐘頻率即可改變其濾波器特性；
　　3、開關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,簡化了電路設計,提高了系統的可靠性。
　　由於MOS器件在速度、集成度、相對精度控制和微功耗等方面的獨特優勢，為開關電容濾波器電路的迅猛發展提供了很好的條件。 ^[2] 

SCF電路的實質是採樣數據系統，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SCF的設想主要起因於流過電阻器與開關電容的電荷相同。這一點是很自然的，有源RC濾波技術已有效地取代了電感器，開關電容技術首先的設想當然是試圖用開關電容(SC)來取代電阻器。

開關電容濾波器的基本原理是，電路的兩節點間接有帶高速開關的電容器，其效果相當於該兩節點間連接一個電阻。

由 MOS開關、電容器和運算放大器構成的一種離散時間模擬濾波器。開關電容濾波器廣泛應用於通信系統的脈衝編碼調製。在實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芯片上。通過外部端子的適當連接可獲得不同的響應特性。某些單獨的開關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、振動分析以及語言和音樂合成等。但運算放大器帶寬、電路的寄生參數、開關與運算放大器的非理想特性以及MOS器件的噪聲等,都會直接影響這類濾波器的性能。開關電容濾波器的工作頻率尚不高，其應用範圍大多限於音頻頻段。

開關電容濾波器

最簡單的開關電容濾波器見圖1。開關K置於左邊時,信號電壓源u1向電容器C1充電；K倒向右邊時，電容器C1向電壓源u2放電。當開關以高於信號的頻率fc工作時,使C1在u1和u2的兩個電壓節點之間交替換接,那麼C1在u1、u2之間傳遞的電荷可形成平均電流I=fcC1(u1－u2)，相當於圖1a的u1和u2之間接入了一個等效電阻,其值為1/fcC1。這樣，圖1a的開關電容電路就可等效於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，開關電容濾波器的傳遞特性取決於比值C1/C2和開關頻率fc。事實上，圖1b是一個積分電路，因此，開關電容濾波器可用於模擬濾波器的相應電路，以實現LC濾波器、有源濾波器等的特性。

設計開關電容濾波器的方法，大致可歸結為兩大類。一類以模擬連續濾波器為基礎，通過一定的變換關係把連續系統的網絡函數變換為對應的離散時間系統網絡函數，以便直接在離散時間域內精確設計。這時可把網絡函數分解為低階函數，然後用開關電容電路模塊通過級聯或反饋結構實現。另一類是以LC梯形濾波器為原型用信號流圖法或阻抗模擬法以開關電容電路取代LC電路中的各支路或電阻、電感，元件之間有一一對應關係。

有源濾波器跳耦電路的實現，是基於對無源LC梯形濾波器的模擬。這時跳耦電路的各支路分別對應於無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。

如果將跳耦電路各支路的積分函數用差分輸入的開關電容積分器（圖2）實現，並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)相對應的開關電容濾波器電路（圖3b），而且仍然保持原型無源LC濾波器的低靈敏度特性。開關電容積分器在每個時鐘週期對輸入信號取樣一次，為了避免輸出信號產生附加相移,嚴重影響濾波響應,必須如圖3b那樣，使相鄰積分器的開關向相反的方向投擲。

也是用LC濾波器為原型電路，但用開關電容等效元件替換模擬元件。電路工作時要求用“電壓反向開關”控制電容網絡中的電荷流動，使等效元件內部開關動作時元件所構成的環路中沒有電荷流動。

實現“電壓反向開關”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關，圖4b是它的電路符號。其工作過程是：當開關K1閉合、K2打開時,因電壓跟隨作用,電容器CH上的電壓uH等於輸入電壓ua,即uH=ua；而在開關K1打開、K2閉合時,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，在每個開關週期內，端口上電壓恰好反向。

圖5a是按這種方法構成的五階低通電壓反向開關型開關電容濾波器的電原理圖，圖5b是它的原型電路。與跳耦型開關電容濾波器相比，這種型式的電路需要的運算放大器數目較少，且仍能保持無源LC網絡的低靈敏度特性，但它的開關時鐘相位關係比較複雜。

開關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關電容實現的波開關電容濾波器。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鋭的窄帶通濾波特性，可用N通道及偽N通道開關電容濾波器所呈現的梳狀濾波特性實現。它們大多也以LC濾波器或含單位元電路為原型。由於它們各具特點，可用來構成型式多樣、用途廣泛的濾波電路。

開關電容濾波器中的開關是週期工作的，它的接通時間只佔一個週期的一部分。如果幾組開關輪流在一個週期內工作，就可構成時間複用的開關電容濾波器，並可節省運算放大器，簡化電路。改變時鐘頻率可改變電路參數，如中心率、峯值增益、選擇性等，因此可構成通用型多功能濾波器或可編程序開關電容濾波器。

開關電容濾波器可用NMOS或CMOS工藝製造。製造技術關係到分佈電容、開關的通導電阻、放大器的帶寬、電容器公差以及電壓節點的泄漏電流。按標準工藝製造，通常能夠滿足應用於音頻範圍的要求。運用某些改進的技術可以擴展工作頻段和進一步減小電容器公差。

開關電容濾波器可實現低、高、帶通、帶阻等特性。音頻範圍的開關電容濾波器在PCM等數字通信系統，語音識別系統中應用已很普遍；高頻開關電容濾波器已用於彩色電視接收機中，更高頻率的應用以及開關電容電路的非濾波運用一直是人們關心的問題，幾年來有很大發展。開關電容技術已是模擬集成電路家族中的重要成員。