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 |