开关电容滤波器 (Switched Capacitor Filter)
1.前言开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容器、MOS运算放大器构成的大规模集成电路滤波器。 开关电容滤波器不像数字滤波器那样需要A/D、D/A转换，可以直接处理模拟信号，因此简化了电路设计，提高了系统的可靠性。 此外，MOS器件在速度、集成度、相对精度控制和微功耗等方面有独特的优势，为开关电容滤波电路的快速发展提供了良好的条件。
2 .基本原理
SCF电路的本质是采样数据系统，直接处理模拟连续信号。 与数字滤波器相比，不再需要A/D、D/A装置，这也是SCF很快进入应用的理由之一。 因此，SCF在离散域中工作，但属于模拟滤波器的列。
各种SCF的设想主要起因于电阻器和开关电容器中流动的电荷相同。 这是很自然的事情，有源RC滤波器技术有效地代替了电感器，开关电容技术的最初构想当然是尝试使用开关电容(SC )代替电阻器。
开关电容滤波器的基本原理是，电路的两个节点之间有带高速开关的电容器，其效果与在这两个节点之间连接电阻相同。
由MOS开关、电容器和运算放大器构成的离散时间模拟滤波器。 开关电容滤波器广泛用于通信系统的脉冲编码调制。 在实际应用中，这些通常是单片集成电路，或者是与其他电路相同的芯片。 通过外部端子的适当连接，可以得到不同的响应特性。 部分开关电容滤波器可作为通用滤波器使用。 例如，自适应滤波、跟踪滤波、振动分析、语言和音乐的合成等。 但是，运算放大器的带宽、电路的寄生参数、开关和运算放大器的不理想特性、MOS器件的噪声等直接影响这些滤波器的性能。 开关电容滤波器的工作频率还不高，其应用范围目前大多局限于音频频带。 开关电容滤波器的基本原理最简单的开关电容滤波器如图1所示。 开关k位于左侧时，信号电压源u1向电容器C1充电； 当k向右倒下时，电容器C1向电压源u2放电。 当开关在高于信号的频率fc下工作时，如果C1在u1和u2两个电压节点之间交替连接，则在C1为u1、u2之间传输的电荷为平均电流I=fcc1(u1-u2 )，等效电阻连接在图1a的u1和u2之间，其这样，图1a的开关电容电路与一阶有源低通滤波器(图1b )等效，其传递函数为
h(j)=j )光纤通道/) ) C1/C2；
式中=2f。 由上式可知，开关电容滤波器的传输特性依赖于比C1/C2和开关频率fc。 实际上，由于图1(b )是积分电路，所以开关电容滤波器可以用于模拟滤波器的各电路，可以实现LC滤波器和有源滤波器等的特性。
设计开关电容滤波器的方法大致分为两种。 以模拟连续滤波器为基础，通过一定的变换关系将连续系统的网络函数变换为相应的离散时间系统网络函数，在离散时域内进行准确设计。 在这种情况下，可以将网络函数分解为低阶函数，并通过开关电容电路模块的级联或反馈结构来实现。 另一个是以LC梯形滤波器为原型，使用信号流程图法和阻抗模拟法，将LC电路中的各分支电路、电阻、电感置换为开关电容电路，元件之间有一对一的对应关系。
跨接型开关电容滤波器有源滤波器跨接电路的实现基于无源LC梯形滤波器的仿真。 此时，跨接电路的各支路分别对应于无源滤波器原型的各支路，其导纳都以积分函数的形式出现。 开关电容滤波器利用差动输入的开关电容积分器(图2 )实现跨接电路的各支路的积分函数，如果计算终端负载的影响，则为与5阶LC低通滤波电路)图3a )对应的开关电容滤波电路)图3b ) 开关电容积分器在每个时钟周期对输入信号进行采样，但是为了防止输出信号产生附加的相位偏移，必须如图3b所示，将相邻积分器的开关向相反方向扔出。 开关电容滤波器电压反转开关型开关电容滤波器也以LC滤波器为原型电路，但用开关电容等效元件代替了模拟元件。 电路工作时，需要通过“电压反转开关”控制电容器网络内的电荷流动，以防止等效元件内部的开关工作时元件构成的环路中有电荷流动。
实现“电压反转开关”的方法有很多。 图4a是由运算放大器构成的电压跟随器形式的电压反转开关，图4b是其电路符号。 当开关K1闭合、K2断开时，通过电压跟踪作用，电容器CH电压uH与输入电压ua相等，成为uH=ua； 另一方面，当开关K1接通、K2接通时，电容器CH的电压向运算放大器的输入端子施加相反的方向。 这样，由于运算放大器的虚拟短路，每个开关周期端口的电压正好相反。 开关电容滤波器图5a是这样构成的五阶低通电压逆开关型开关电容滤波器的电气原理图，
图5b是它的原型电路。与跳耦型开关电容滤波器相比，这种型式的电路需要的运算放大器数目较少，且仍能保持无源LC网络的低灵敏度特性，但它的开关时钟相位关系比较复杂。开关电容滤波器
开关电容滤波器还有许多种构成方式，如在波数字滤波器原理基础上用开关电容实现的波开关电容滤波器。这种滤波器的原型电路可以是LC滤波器，也可以是含单位元的电路;而对选择性要求比较尖锐的窄带通滤波特性，可用N通道及伪N通道开关电容滤波器所呈现的梳状滤波特性实现。它们大多也以LC滤波器或含单位元电路为原型。由于它们各具特点，可用来构成型式多样、用途广泛的滤波电路。
开关电容滤波器中的开关是周期工作的，它的接通时间只占一个周期的一部分。如果几组开关轮流在一个周期内工作，就可构成时间复用的开关电容滤波器，并可节省运算放大器，简化电路。改变时钟频率可改变电路参数，如中心率、峰值增益、选择性等，因此可构成通用型多功能滤波器或可编程序开关电容滤波器。
制造技术 开关电容滤波器可用NMOS或CMOS工艺制造。制造技术关系到分布电容、开关的通导电阻、放大器的带宽、电容器公差以及电压节点的泄漏电流。按标准工艺制造，通常能够满足应用于音频范围的要求。运用某些改进的技术可以扩展工作频段和进一步减小电容器公差。