1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 开关电容滤波器 摘要 :在集成电路中 ,大量采用了开关电容滤波器。开关电容滤波器有一些模拟集成滤波器无法比拟的优点。首先在集成电路中 ,由于工艺上的原因 ,电阻、电容在集成电路中的实际值与理论设计值一般有 5% 20 %的偏差 1。这些偏差累积在一起 ,对电路总体性能影响很大。而开关电容滤波器则不然。开关电容滤波器的传输函数仅与电路中电容的比值有关。 关键词： 开关电容；滤波器；集成电路 一 、 开关电容滤波器简介 随着大规模集成电路技术的发展 ,开关电容电路在理论和技术方面发展迅速 ,成为一个比较活跃的领域。开关电容 (switched capacito
2、r)网络得到了日益广泛的应用 2。 SC 网络一般由 MOS 开关 3、电容和集成运放构成。 20 世纪 70 年代末 SC 网络得到迅猛发展 ,其适合 MOS 集成技术 ,并且得到了比较好的精度 ,随着集成电路技术的发展 ,对芯片面积和制作成本都有了更高的要求 ,如今， MOS电路的速度、集成度和微功耗都得到了很大改进 ,利用 MOS 集成技术的开关电容电路得到了广泛的应用 ,范围已由原来单一的有源滤波器扩大到放大、振荡、频率变换及开关电容变压器等领域 ,已从开关电容电路发展为开关电容网络。其性能主要取决于电容的相对比值。现在两个电容的比值已可控制到 0.3%左右。采用合适的技术 ,可应用小
3、到 0.5pF 的电容器 ,改变开关信号额率 (时钟频率 )4来改变电路的参数；能直接处理模拟连续信号。与数字滤波器相比 ,可省去 A/D,D/A 装置。此外 ,因其体积小 ,可以用 MOS 工艺将整个开关电容电路集成在一单片上 ,同时还有功耗小、灵敏度低、温度特性好、易于制造等优点。由于集成这种电路时可以大大地节省芯片面积 ,而且质量高超、功能优良、技术数据十分准确。开关电容网络成 为近年来科技领域中相当受重视的研究领域。 二、 开关电容滤波器的发展与应用 二十世纪八十年代，超大规模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
4、规模集成电路的小型化。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，2 已有商用在开关电容技术已趋成熟。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。开关电容滤波器利于大规模集成；因为其性能取决误差小于
5、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 10mW5。 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 工艺的开关电容滤波器中，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开关电容滤波器的性能和精度不够理想。因此
6、，高性能高精度成为开关电容滤波器设计的关键。开关电容滤波器中心频率较低，通常都在 100kHz 以内。尽管如此，开关电容滤波器已广泛应用于中、低频范围的电信、声学等领域 6。 开关电容滤波器的应用以声频范围应用为主程控开关电容滤波器、连续时间滤波器模拟信号处理 7、振动分析共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声器、离散傅氏变换等等。总之，开关电容滤波器信息处理等许多领域都有广泛的应用前景 8 10。 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
7、等效电阻所需要 的芯片面积大约是直接集成这样一个电阻所需芯片面积的百分之一。 开关电容滤波器不仅克服了有源 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。 三 、 开关电容滤波器的设计方法 开关电容滤波器 11的设计可分为变换设计法和直接设计法 12 3.1 变换设计法： 变换设计法就是在原来设计的连续时间滤波器的基础上，通过一定的变换，将连续时间滤波器转化为开关电容滤波器。变换法的优点就是简单、直观。它的另外一个极其重要的优点就是能够充分应用连续时间滤波器的研究成果来设计取样数据滤波器，从而大大加快了开关 电容滤波器的发展。 具体操作首先满足滤波要求的 s 域转移函
8、数 H(s)设计出 s 域滤波器的电路，在根据 s 域到 z 域的变化关系，将 s 域滤波器变换到 z 域的滤波器，从而完成开关电容滤波器的设计。 S 域与 z 域的变换关系有多种，最基本的变换方法就是开关电容等效的电阻方法。另外还有更严格的变换方法，如双线性变换法、 LDI 变换法。 3.2 直接设计法： 直接设计法直接从滤波器的 z 域转移函数出发，以开关电容双二阶基本电路和各种基本单元电路为基础，通过级联法、信号流图等方法直接综合 z 域转移函数，得到所需要的开关电容滤波器。开关电容处理的 是离散时间信号，所以这种电路的分析于设计一般在 z 域进行。 3 基本操作首先设计出符合要求的 s
9、 域滤波器的转移函数 H(s),再将 s 域的转移函数 H（ s）变换为 z 域的转移函数 H(z),然后利用开关电容基本模块电路通过级联法、信号流图法等方法对 H（ z）直接进行综合，实现开关电容滤波器。 四 、 总结 由于大电阻不易集成，利用开关电容等等效电阻，可以将有源或者无源 RC 网络中的电阻 R 用开关电容等效电阻取代，从而得到开关电容滤波器。 另外 MOS 器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面都有独特的优势 ，开关电容滤波器不仅克服 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。 开关电容滤波器的出现促进了有源滤波器的集成化 ,随着集成
10、工艺的发展 ,集成开关电容滤波器的尺寸越来越小 ,设计也越来越简单 ,现已经大量应用于通讯系统和其它数字化系统。 参考文献 1 Johns D,Martin K Analog.Integrated Circuit Design M.Wi-ley,1997:42-48. 2陆跃 .开关电容网络 M.成都 :电子科技大学出版社 ,1989:36-200. 3高燕梅 ,王丽 ,付 圆 媛 .开关电容滤波器设计与仿真方法与研究 J吉林大学学报 :息科学版 ,2005,23(4):373-375. 4江健康， 杨长林，韩磊开关电容滤波器可编程时钟设计 J计量技术， 2007,(3):65-70. 5邓重
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