310开关电容SC滤波器.docx
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310开关电容SC滤波器
3.10开关电容（SC）滤波器
用开关和电容来仿真电阻，构成的有源滤波器。
适于集成制造，具有精度高、价格低、使用方便灵活的特点。
此外还有：
输入阻抗高、输出阻抗低、工作频率低（可达0.1Hz）、电路简单、易调节参数等优点。
缺点是：
有高频噪声产生、动态范围限制在80dB左右、高频工作频率限制大约为200kHz。
3.10.1开关电容工作原理
开关电容工作原理
当开关S1、S2以较高频交替通断时，电源间歇向电容提供充电电流，从电源
端看开关与电容部分相当于一个持续消耗电能的电阻。
为保证电源不会短路，S1、
S2可以采用以Cs1、Cs2为触发信号的MOS型开关
一个周期内，电源提供给电容的电荷量：
qCuS，若开关频率为fS,则单位时间内电源提供的电荷量QqfSCusfs，平均电流iqCuSfS，
SC网络入端等效电阻R-Us—，如果用这样一个仿真电阻构成积分器iCfs
这里，开关1上的电容充电电流与开关2上的电容放电电流只在时间上相差半个周期，其他均相同。
H（s）
1
sRG
sCfSC1
C11C
^fss，积分常数-C；fs，由于开关频率
fs可以调节，所以积分常数是可调的，并且积分常数由容量比决定，而不再与
具体电容值有关。
在制造集成SC滤波器时，所用到的器件（电容、电阻、开关等）均采用MOS技术实现，简化了制造工艺，有利于提高集成度。
但是依赖于集成MOS
技术制造的电容，容量很难精确控制，误差会达到30%以上，不过依赖于同种制造工艺的电容，容量比却可以十分精确，精度可以达到0.1%以上。
因此，借助
于SC来实现电阻的集成滤波器，集成度高而且很精确。
当一个集成的通用滤波器器件内部需要用到多个SC仿真电阻时，每个仿真电阻都有一个fS控制端，这样就衍生出了可编程SC滤波器，不改变器件结构，通过编程指令改变滤波器的性能和参数。
3.10.2寄生电容问题
在SC集成滤波器中，MOS开关和电容的每个端子到地都有寄生电容存在，寄生电容的容量无法准确估计，有时寄生电容容量可以达到电容本身的10%，设计器件时应当尽量避免寄生电容对滤波器的性能及参数造成影响。
Cp1—开关S1对地的寄生电容;
Cp2—开关S1、开关S2、电容C2的上极板对地寄生电容;
Cp3—电容C2下极板对地的寄生电容；
Cp4—&和C1上极板对地的寄生电容；Cp5—C1下极板对地寄生电容。
其中Cp1、Cp3、Cp5分别与输入电压源、短路线、输出端并联，对转移函
数无影响。
Cp4连接在“虚地”之间，在不考虑运放的非理想因素时，也无影响而Cp2与C2并联，将影响积分常数
1.
对寄生电容不敏感的反相积分器
所以未画出，图中只画出了由开关改造带来的新寄生电容Cpi、Cp2，可见寄生
电容Cpi、Cp2对电容C2的充电路径（Si闭合时）和放电路径（S2闭合时）均不
产生影响，所以也不影响转移函数。
对寄生电容不灵敏的同相积分器
对积分环节而言，SC构成的仿真电阻
%
>
X
T
+
3.差分积分器
②节点：
Vm（
1
R1
sK2C1）
Vo（1
R4
sK6C1）sC1V3
可以使用叠加定理分析。
V1单独作用时，V2=0,积分器为反相积分；当V2单独作用时，V1=0，积分器是同相积分。
所以，
等效电路
④节点：
3saCzVinSC2V00
R5
22
K3SsoafsKKfs
s2saafs
1
fsK6K：
Q
0fS.K4K5，Q
式中K参数均为电容比值，滤波器特征参数只与电容比有关。
7:
，通过适当设计
Ki、K2、K3可以实现不同种类的滤波器
3.10.3通用SC滤波器
基本组成：
运放级、求和级、两个SC积分器（积分常数K可以由时钟频率控制），内置开关S（可以由外部控制）。
有2个输入端子，3个输出端子。
通用集成SC滤波器通过适当的外部连接可以实现各种不同的滤波特性。
使用非常灵活。
以外接反馈环路的不同分三种工作模式来讨论。
1.工作模式一：
从V3、V5引入到运放输入端的反馈，同时从V6接负反馈到求和级。
l=F
%Q
（1）
C9
工祚撲i.i-（?
）
■
工件横式1-（3）
pl
r
Xftft式1—（4）
□
7（
A7
—
£11
工作摸式1-（5）
2.
工作模式二：
在模式一的基础上，再增加从V6到运放输入端的反馈。
3.工作模式三：
在工作模式二基础上去掉求和级反馈。
喝a
■1l**
工作揍式All）
工作樓戎4I2）
4.工作模式四：
改变输入信号接法
分析工作模式4—
（1）的转移函数
0
例:
V4
V5
电Vin
R1
V3Vin
K
V4
S
X
S
电V5
R3
V6
H6（S）
V6
V.
H5（s）
V5
V.
R2
/2
仁1）K
s空KK2R3
R2
（R1）K&KK2R3
LPF
BPF
H3（s）
V3
Vin
R2
Ri
R2
R3
S（R1
1）K
K2
R2
Ri
2R2R1
s
R3R3
s2s-R^KK2
R3
R2
（百1）KSk2
当昱_
R3
R2
単（亍1）
R3R1
R
R3
时,
即:
R2
2
Ri2
1时，可以实现APF。
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