开关电容滤波器基本原理

发布时间:2023-10-27
开关电容滤波器是由mos电容、开关和运放组成,其整体结构简单、制造简易、价廉,性能较好,大有取代一般滤波器的趋势。
开关电容滤波器的基本原理是,电路的两节点间接有带高速开关的电容器,其效果相当于该两节点间连接一个电阻。图1(a)所示是一个有源rc积分器。在图1(b)中,用一个接地电容c1和用作开关的源、漏极可互换的增强型mos三极管t1、t2来代替输入电阻r1(注意此处t1、t2用的是简化符号)。图中t1、t2用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动[见图1(c)]。假定时钟频率fc(=1/tc)远高于信号频率,那么,在φ1为高电平时,t1导通而t2截止[见图1(d)]。此时c1与输入信号vi相连,即有:
qc1=c1vi
而在φ2为高电平时,t1截止,t2导通。于是,c1转接到运放的输入端,如图1(e)所示。此时,c1放电,将c1原来所充电荷qc1传输到c2上。
由此可见,在每一时钟周期tc内,从信号源中提取的电荷qc1=c1vi供给了积分电容c2。因此,在节点1、2之间流过的平均电流为
如果tc足够短,可以近似认为这个过程是连续的,因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路req,即
和 (1)
这样,就可以得到一个等效的积分时间常数
(2) 显然,影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期tc和电容比值c2/c1,而与电容的绝对值无关。在mos工艺中,电容比值的精度可以控制在0.1%以内。这样,只要选用合适的时钟频率(如fc=100khz)和不太大的电容比值(如10),对于低频率应用来说,就可获得合适的时间常数(如10–4s)。
(a)有源rc积分器
(b)开关电容积分器
(c)两相时钟
(d)在f1为高电平时,vi向c1充电
(e)在f2为高电平时,c1向c2放电
图 1
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