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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