Ch3-6開關(guān)電容積分器

1、3.10 開關(guān)電容（SC）濾波器用開關(guān)和電容來仿真電阻，構(gòu)成的有源濾波器。適于集成制造，具有精度高、價(jià)格低、使用方便靈活的特點(diǎn)。此外還有：輸入阻抗高、輸出阻抗低、工作頻率低（可達(dá)0.1Hz）、電路簡(jiǎn)單、易調(diào)節(jié)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：有高頻噪聲產(chǎn)生、動(dòng)態(tài)范圍限制在80dB左右、高頻工作頻率限制大約為200kHz。3.10.1 開關(guān)電容工作原理 開關(guān)電容工作原理當(dāng)開關(guān)S1、S2以較高頻交替通斷時(shí)，電源間歇向電容提供充電電流，從電源端看開關(guān)與電容部分相當(dāng)于一個(gè)持續(xù)消耗電能的電阻。為保證電源不會(huì)短路，S1、S2可以采用以、為觸發(fā)信號(hào)的MOS型開關(guān)。一個(gè)周期內(nèi)，電源提供給電容的電荷量：，若開關(guān)頻率為，則單位

2、時(shí)間內(nèi)電源提供的電荷量，平均電流，SC網(wǎng)絡(luò)入端等效電阻，如果用這樣一個(gè)仿真電阻構(gòu)成積分器如下圖：開關(guān)電容反相積分器這里，開關(guān)1上的電容充電電流與開關(guān)2上的電容放電電流只在時(shí)間上相差半個(gè)周期，其他均相同。，積分常數(shù)，由于開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)，所以積分常數(shù)是可調(diào)的，并且積分常數(shù)由容量比決定，而不再與具體電容值有關(guān)。在制造集成SC濾波器時(shí)，所用到的器件（電容、電阻、開關(guān)等）均采用MOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了制造工藝，有利于提高集成度。但是依賴于集成MOS技術(shù)制造的電容，容量很難精確控制，誤差會(huì)達(dá)到30%以上，不過依賴于同種制造工藝的電容，容量比卻可以十分精確，精度可以達(dá)到0.1%以上。因此，借助于SC來實(shí)現(xiàn)電

3、阻的集成濾波器，集成度高而且很精確。當(dāng)一個(gè)集成的通用濾波器器件內(nèi)部需要用到多個(gè)SC仿真電阻時(shí)， 每個(gè)仿真電阻都有一個(gè)控制端，這樣就衍生出了可編程SC濾波器，不改變器件結(jié)構(gòu)，通過編程指令改變?yōu)V波器的性能和參數(shù)。3.10.2 寄生電容問題在SC集成濾波器中，MOS開關(guān)和電容的每個(gè)端子到地都有寄生電容存在，寄生電容的容量無法準(zhǔn)確估計(jì)，有時(shí)寄生電容容量可以達(dá)到電容本身的10%，設(shè)計(jì)器件時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免寄生電容對(duì)濾波器的性能及參數(shù)造成影響。SC反相積分器的寄生電容分布開關(guān)S1對(duì)地的寄生電容；開關(guān)S1、開關(guān)S2、電容C2的上極板對(duì)地寄生電容；電容C2下極板對(duì)地的寄生電容；S2和C1上極板對(duì)地的寄生電容；C1

4、下極板對(duì)地寄生電容。其中、分別與輸入電壓源、短路線、輸出端并聯(lián)，對(duì)轉(zhuǎn)移函數(shù)無影響。連接在“虛地”之間，在不考慮運(yùn)放的非理想因素時(shí)，也無影響。而與C2并聯(lián)，將影響積分常數(shù)。1. 對(duì)寄生電容不敏感的反相積分器對(duì)寄生電容不靈敏的反相積分器與前例電路相似的由制造S1、C1、C2帶來的寄生電容因?yàn)椴挥绊懛e分常數(shù)，所以未畫出，圖中只畫出了由開關(guān)改造帶來的新寄生電容，可見寄生電容對(duì)電容C2的充電路徑（S1閉合時(shí)）和放電路徑（S2閉合時(shí)）均不產(chǎn)生影響，所以也不影響轉(zhuǎn)移函數(shù)。2. 對(duì)寄生電容不敏感的同相積分器開關(guān)位置與反相積分器不同。 對(duì)寄生電容不靈敏的同相積分器對(duì)積分環(huán)節(jié)而言，SC構(gòu)成的仿真電阻，3. 差分積

5、分器可以使用疊加定理分析。V1單獨(dú)作用時(shí)，V2=0，積分器為反相積分；當(dāng)V2單獨(dú)作用時(shí)，V1 =0，積分器是同相積分。所以，4. 開關(guān)電容二階通用濾波器等效電路其中，節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)：式中K參數(shù)均為電容比值，濾波器特征參數(shù)只與電容比有關(guān)。 ，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)、可以實(shí)現(xiàn)不同種類的濾波器。3.10.3 通用SC濾波器基本組成：運(yùn)放級(jí)、求和級(jí)、兩個(gè)SC積分器（積分常數(shù)K可以由時(shí)鐘頻率控制），內(nèi)置開關(guān)S（可以由外部控制）。有2個(gè)輸入端子，3個(gè)輸出端子。通用集成SC濾波器通過適當(dāng)?shù)耐獠窟B接可以實(shí)現(xiàn)各種不同的濾波特性。使用非常靈活。以外接反饋環(huán)路的不同分三種工作模式來討論。1. 工作模式一：從V3、V5引入到運(yùn)放輸入端的反饋，同時(shí)從V6接負(fù)反饋到求和級(jí)。2. 工作模式二：在模式一的基礎(chǔ)上，再增加從V6到運(yùn)放輸入端