Ch3-6开关电容积分器

实用标准文案文档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1SC、2SC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：SuCq，若开关频率为Sf，则单位时间内电源提供的电荷量SSSfCufqQ，平均电流SSfCuTqi，SC网络入端等效电阻SSCfiuR1，如果用这样一个仿真电阻构成积分器如下图：开关电容反相积分器这里，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。实用标准文案文档sfCCCCfssRCsHSS1111)(111，积分常数SfCC11，由于开关频率Sf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Sf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。SC反相积分器的寄生电容分布1pC—开关S1对地的寄生电容；2pC—开关S1、开关S2、电容C2的上极板对地寄生电容；3pC—电容C2下极板对地的寄生电容；4pC—S2和C1上极板对地的寄生电容；5pC—C1下极板对地寄生电容。其中1pC、3pC、5pC分别与输入电压源、短路线、输出端并联，对转移函实用标准文案文档数无影响。4pC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2pC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对寄生电容不灵敏的反相积分器与前例电路相似的由制造S1、C1、C2带来的寄生电容因为不影响积分常数，所以未画出，图中只画出了由开关改造带来的新寄生电容21ppCC、，可见寄生电容21ppCC、对电容C2的充电路径（S1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。2.对寄生电容不敏感的同相积分器——开关位置与反相积分器不同。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RfCRS21等效，SfsCCCRssH121)(1)(3.差分积分器实用标准文案文档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，)()(1212112212VVfsCCVfsCCVfsCCsHSSS4.开关电容二阶通用滤波器等效电路其中1111111CKfCKRS，1414411CKfCKRS，2525511CKfCKRS②节点：0)1()1(31164121VsCCsKRVCsKRVoin④节点：022353oinVsCVCsKRV实用标准文案文档2545622515223545625152234652125321)(SSSSinofKKfKKssfKKfKKssKKKKKssKKKKssKKKsKsKKsKKsVVsH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。540KKfS，45654565601,KKKKKKKQKKfQS，通过适当设计1K、2K、3K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。实用标准文案文档实用标准文案文档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。实用标准文案文档实用标准文案文档4.工作模式四：改变输入信号接法例：分析工作模式4—(1)的转移函数。5645634532123VsKVVsKVVVVVVRRVRRVinin→BPF)1()(LPF)1()(23221255232221266KKRRssKRRsVVsHKKRRssKRRVVsHinin23222123132212232212321233)1()1()(KKRRssKKsRRRRRRsRRKKRRssKRRsRRRRVVsHin当32123132)1(RRRRRRRR时，即：12212RR时，可以实现APF。