摘要：為了濾除信號中摻雜的高頻噪聲，設(shè)計一種六階級聯(lián)式開關(guān)電容低通濾波器，以數(shù)據(jù)采樣技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有源RC濾波器中的大電阻，有利于電路的大規(guī)模集成。濾波器由雙二階子電路級聯(lián)而成，電路中的電容值利用動態(tài)定標技術(shù)計算確定。用Hspice進行仿真驗證，結(jié)果表明：開關(guān)電容低通濾波器能較好地時信號進行整形，其頻率特性符合設(shè)計指標。
關(guān)鍵詞：低通濾波器；開關(guān)電容；Hspice；雙二階；動態(tài)定標

濾波技術(shù)是信號分析和處理中的重要分支，它的作用是從接收到的信號中提取有用的信息，抑制或消除無用的或有害的干擾信號，有助于提高信號完整度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。濾波器正是采用濾波技術(shù)的具有一定傳輸選擇性的信號處理裝置。隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)和MOS工藝的飛速發(fā)展，模擬集成濾波器的實現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的一個重大課題，也是當(dāng)今國際上的前沿課題。
傳統(tǒng)的連續(xù)時間模擬濾波器采用有源RC結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用到較高的頻率，但是電路中多采用大電容和大電阻，在集成電路制造時會占用大量的芯片面積。在現(xiàn)代集成電路工藝中，很難得到精確的電阻值和電容值，而且電阻值隨溫度變化很大，精度只能達到30％。
1972年，美國科學(xué)家Fried發(fā)表了用開關(guān)和電容模擬電阻R的論文，由此開關(guān)電容技術(shù)成為模擬集成濾波器設(shè)計中常用的方法。開關(guān)電容濾波器是由運算放大器、電容器和MOS開關(guān)組成的有源開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)據(jù)采樣技術(shù)代替大電阻，減小了芯片的面積和功耗，且電路的極點和時間常數(shù)由電容的比值確定，可實現(xiàn)高精度的模擬集成濾波器。本文設(shè)計一種開關(guān)電容低通濾波器，用于濾除有用信號中摻雜的高頻噪聲。

1 開關(guān)電容技術(shù)的原理
圖1中的開關(guān)電容等效電阻電路由兩個獨立的電壓源V1、V2，兩個受控開關(guān)S1、S2和電容C組成。開關(guān)S1和S2受兩相不交疊的時鐘φ1和φ2控制，時鐘頻率均為fs。

在時鐘φ1和φ2的控制下，兩個開關(guān)周而復(fù)始地閉合與斷開。φ1閉合時，C充電到V1，φ2閉合時，C放電到V2，傳輸?shù)目傠姾蔀镃(V1-V2)，流向V2的平均電流為：
I=Qfs=C(V1-V2)*fs (1)
根據(jù)歐姆定律，可知此開關(guān)電容電路的等效電阻(如圖1(b)所示)為：
Req=1／Cfs (2)
利用開關(guān)電容等效電阻電路的最大優(yōu)點是節(jié)省了硅片面積。以圖1(a)電路為例，若時鐘頻率為200 kHz，要模擬一個阻值為10 MΩ的大電阻，所需的電容值為0．5 pF，所消耗的硅片面積僅為標準CMOS工藝制成的硅成型電阻面積的1％。此外，開關(guān)電容模擬電阻的阻值容易調(diào)節(jié)，在對電路原有結(jié)構(gòu)幾乎不做任何改動的前提下，僅通過調(diào)整電容的比值就能改變整體電路的參數(shù)。

2 低通濾波器的總體設(shè)計
文中設(shè)計的低通濾波器主要用于濾除有用信號中的高頻噪聲，截止頻率為20 kHz，開關(guān)電容采樣時鐘頻率為1 MHz，其設(shè)計指標如表1所示。

根據(jù)濾波器設(shè)計指標的要求，文中設(shè)計一種六階低通濾波器，采用級聯(lián)式開關(guān)電容濾波器的設(shè)計方法，也就是直接將低階濾波器連接起來而確定高階濾波器的傳遞函數(shù)。高階濾波器(高于3階)主傳遞函數(shù)的分子和分母被分解成一階或二階子函數(shù)，每個低階濾波器都具有各自的緩沖電路，級聯(lián)在一起不會相互影響，調(diào)試電路時易于發(fā)現(xiàn)問題。