开关电容滤波器的设计与研究【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 开关电容滤波器的设计与研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 开关电容滤波器 (SCF）是 70 年代末出现的一类单片集成。由于 SCF 器件具有结构紧凑、频率可调等显著优点，随着 MOS 大规模集成技术的迅速发展， 集成元件比值的精度可高于千分之一。开关电容滤波器以其整体结构简单 .易于用 MOS 工艺实现的特点，正在进一步取代一般的有源滤波器。 开关电容滤波器利用 MOS 开关电容来模拟有源滤波器中的大电阻，其等效模拟电阻值受外部时钟频率控制，改变外部时钟频率和电容 C 就可以实现对大电阻

2、阻值的控制，从而实现可控大电阻的集成。 本设计根据开关电容滤波器的工作原理，采用 Z 变换设计法，设计出合理的开关电容滤波器，在 ORCAD 软件开发平台，对一阶开关电容滤波器和一阶有源 RC 滤波器进行仿 真，证明了设计的合理性。本论文给出了两个滤波器的详细模块图，详细分析了两者的参数设置，并且对两个模块进行了验证，给出了详细的仿真结果图。 关键词： 开关电容滤波器 ;MOS; ORCAD; 一阶开关电容滤波器 ;一阶有源 RC滤波器 - 2 - Abstract Switch capacitance filter is a kind of monolithic integration ap

3、peared in the end of 1970s. Because the components of SCF have the advantages of compact structure and adjustable frequency, with the rapid development of MOS large-scale integration, the ratios precision of integrated components exceed one in a thousand. SCF is further replacing the general active

4、filter because of the simpler integral structure, and easier MOS process. SCF uses MOS switch to simulate the positive elements in active filter. When the equivalent simulated electric resistance is controlled by the external frequency of the clock, to change the external clock is to change time con

5、stant of R、 C. It is used to change the frequency of filter. This design is on the basis of SCFs working principle. By using the software development platform of ORCAD, it works out a switch capacitor filter and an active RC filter, provides the detailed module charts of these two filters, analyzes

6、the different parameters in details, and shows the simulate resulting graphs by verifying these two modules. Key word: Switch capacitance filter ; MOS; ORCAD; switch capacitor filter; active RC filter - 3 - 目 录 1引 言 . - 1 - 1 1 课题背景和意义 . - 1 - 1 2 论文的内容与组织结构 . - 2 - 2 ORCAD 的概述 . - 3 - 2.1 ORCAD 发展及

7、其结构组成 . - 3 - 2.2 ORCAD 平台描述 . - 4 - 2.3 ORCAD 的设计流程 . - 5 - 3开关电容 . - 7 - 3.1 开关电容网络简介 . - 7 - 3.2 开关电容的应用 . - 7 - 3.3 开关电容滤波器 . - 8 - 3.4 开关电容滤波器的工作原理 . - 8 - 3.5 开关电容等效电阻原理 . - 10 - 3.5.1 开关电容并联等效电阻电路 . - 10 - 3.5.2 开关电容串联等效电阻电容 . - 12 - 3.5.3 开关电容双线性等效电阻电路 . - 13 - 4开关电容滤波器的设计 . - 15 - 4.1 变换设计法

8、 . - 15 - 4.1.1 用开关电容等效电阻概念设计开关电容滤波器 . - 15 - 4.1.2 用双线性法设计开关电容滤波器 . - 15 - 4.1.3 用 LDI 变换法设计开关电容滤波器 . - 17 - 4.1.4 用模拟梯形网络工作的方法设计开关电容滤波器 . - 17 - 4.2 直接设计法 . - 17 - 5一阶开关电容滤波器的分析与设计 . - 19 - 6 系统的仿真与调试 . - 22 - 7设计总结 . - 25 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参 考文献 . - 26 - - - 1 - - 1 引 言 1 1 课题背景和意义 二十世纪八十年代，超大规模

9、集成电路得到工艺在单位面积芯片上集成的电阻、电容等电子集成电阻不仅占用芯片面积大，而且大的温度系耗，不利于超大规模集成电路的小型化 1。为克服这些缺点，人们开始研究取代电阻的方法。 开关电容滤波器的概念最早在二十世纪五十年代被提出，正因为当时集成工艺不过关，未引起人们的重视。 1972 年，美国科拟电阻 R 的方法。 1977 年，开关电容的单片集成滤波器研制成功，由 MOS 运算放大器、 MOS 电容和 MOS 开关组成的有源开关电源网络。开关电容滤波器由电容的比值确定电路的极点和时间常数，且电容比值可以控制，因此开关电容技术可获得高精度的滤波器。1979 年，已有商用在开关电容技术已趋成熟

10、。开关电容滤波器采用代网络理论与集成工艺的一个重大突破。开关电关电容滤波器利于大规模集成；因为其性能取决误差小于千分之一，并且有很高的精度；功能全可以由开关电容技术进行实现；无需 A/D、 D/A 转换可以做到小于 10mW2。 然而，在使用开关电容滤波器的过程中发现，当滤波器难以实现，而用多片 SCF 级联的成本太高。采取大的电容分散又不利于集成。有人建议采用电容放大技术减小电容分散，噪声、稳定性和有限带宽等诸多因素又限制了电路的整体性能。又有人提出了采用差动开关电容器减小电路的电容分散，这只需多增加 2个开关，却可以成倍的缩小电容分散，便于集成。另外，在 NMOS 工艺的SCF 滤波器中，

11、因为 NMOS 运算放大器的开环增益低、摆率小、噪声高和单位增益带宽 SCF 滤波器的性能和精度不够理想。因此，高性能高精度是 SCF 滤波器设计的关键。 SCF 滤波器中心频率较低，通常都在 100kHz 以内。尽管如此， SCF滤器已广泛应用 于中、低频范围的电信、声学等领域 3。 用开关电容技术可以很方便的实现大电阻。用开关和电容代替电阻以后，一个 10M 的电阻可以用一个 0.1pF 的电容和切换频率为 100kHz 的开关代替。用一般的 MOS 工艺集成实现这样一个等效电阻所需要的芯片面积大约是直接集- - 2 - - 成这样一个电阻所需芯片面积的百分之一 4。 开关电容滤波器不仅克

12、服了有源RC滤波器不便直接集成的主要缺点，同时还具有 MOS 电路的很多优点。因而得到极其广泛的应用 5 7。 1 2 论文的内容与组织结构 本次论文主要做了以下工作： 1熟悉 ORCAD 的开发环境，熟悉 ORCAD 一般的设计流程； 2 查找资料熟悉并掌握开关电容滤波器的原理，了解开关电容网络及其应用。 3 用变换设计法和直接设计法设计开关电容滤波器，通过 ORCAD 对开关电容滤波器输出特性进行仿真。检验是否符合设计要求，并适当优化滤波器电路参数。 4.对设计与调试过程中出现的问题进行整理和分析。 - - 3 - - 2 ORCAD的概述 2.1 ORCAD 发展及其结构组成 随着计算机

13、技术的飞速发展和大规模集成电路的广泛应用，电子电路的计算机辅助 设计（ Computer Aided Design,简称 CAD）技术 8，已经成为了电子电路分析设计中不可或缺的有力工具。以集成电路 CAD 为基础的电子设计自动化（ Electronic Design Automation,简称 EDA）已经成为了电子学领域中的重要学科，并形成了独立的产业部门。 ORCAD 是由 ORCAD 公司于八十年代末推出的 EDA 软件，它是世界上使用最广的 EDA 软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其它 EDA 软件而言，它的功能也是最强大的 。 OrCAD 的 EDA 软件系统由四部

14、分组件构成 ，其结构如图 2-1 所示， 图 2-1 OrCAD 软件系统结构 OrCAD/Capture 是其它几个组件的前端模块，它是一个功能强大的电路原理图设计软件，此外还承担着项目的同意管理功能。 OrCAD/PSpice A/D 是一个电路模拟分析软件，它可以对模拟电路、数字电路和数 /模混合电路进行模拟分析，此外具有优化设计的功能。 OrCAD/Express Plus 是一个可编程设计软件。 - - 4 - - OrCAD/Layout 是一个印刷电路设计软件。 2.2 ORCAD 平台描述 OrCAD 是一个软件包，进行电路模拟分析 的核心软件是 PSpice A/D，为使模拟

15、工作做得更快更好， OrCAD 软件包还提供了以下 5个配套软件与之相配合。 1.电路图生成软件：其主要功能是人机交互方式在屏幕上绘制电路图，设置电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表。在该程序中可直接运行 PSpice 及其它配套软件。 2.激励信号编辑软件：其主要功能是以人机交互方式生成电路模板中需要的各种激励信号源。包括瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频、指数等 5种信号波形和逻辑模拟中需要的时钟、脉冲、总线等各种信号。 3.模型参数提取软件：其主要 功能是提取来自厂家的器件的数据信息，生成 PSpice 模拟时所需要的模型参数。因为尽管 PSpice A/D 模型

16、库中提供了一万多种元器件和单元集成电路的模型参数，但在实际应用中仍有用户需要采用未包括在模型参数库中的元器件，这时 ModelED 软件就显得至关重要。 4.波形显示和分析模块：其主要功能是将 PSpice 的分析结果用图形显示出来。不仅能显示电压、电流这些基本电路参量的波形，还可以显示由基本参量组成的任意表达式的波形，所以有 “ 示波器 ” 之称。该模块还能对模拟结果进行再加工，以提取更多的信息。 5.优化程序：其 主要功能是自动调整元器件的参数设计值，使电路的特性得到改善，实现电路的优化设计。 OrCAD/PSpice 9可模拟以下 6类常用的电路元器件： 1.基本无源元件，如电阻、电容、

17、电感、传输线等。 2.常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应管、 MOS 管等。 3.独立电压源和独立电流源。 4.各种受控电压源、受控电流源和受控开关。 5.基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等。 6.常用单元电路，如运算放大器、 555定时器等。在这里集成电路可作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必 考虑该单元电路的内部结构。 - - 5 - - OrCAD/PSpice 9可分析的电路特性有 6类 ： 1.直流分析，包括静态工点、直流灵敏度、直流传输特性、直流特性扫描分析。 2.交流分析，包括频率特性、噪声特性分析。 3.瞬态分析，包括瞬态响应分析，

18、傅立叶分析。 4.参数扫描，包括温度特性分析，参数扫描分析。 5.统计分析，包括蒙托卡诺分析、最坏情况分析。 6.逻辑模拟，包括逻辑模拟、数模混合模拟、最坏情况时序分析。 2.3 ORCAD 的设计流程 利用 OrCAD/PSpice A/D 对电路进行模拟分析一般需分 9个步骤。如图 2-2, 新建设计项目是在 OrCAD/Capture 中调用设计项目管理器（ Project Manager）进行的。电路图绘制和元件参数的编辑修改都在 OrCAD/Capture 环境下进行的。电路特性分析要求设置是通过建立 Simulation Profile 文件完成的。通过各种特性分析的类型选择和参数设置的具体方法。电路的模拟是通过调用 PSpiceA/D 进行的，模拟分析的结果存入以 out 为扩展名的文本文件和以dat 为扩展名的波形数据文件中。模拟结果可以在 PSpice A/D 窗口中显示。通过 OUT 文件的结构和内容 调用 PSpice/Probe 模块来显示、分析模拟结果的具体方法。 - - 6 - - 图 2-2 电路仿真分析和设计的一般过程