开关电容滤波器阅读：1351

    在信号处理仪器的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件。根据信号分的的要 求，抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz～20kHz。为了提高信号的频率分辨率，要求抗混滤波器的带宽是可变的。比如要分析100Hz以内的信号特征，该低通滤波器的带宽最好选为100Hz。设计时，按1、2、4、5倍乘的原则，将20kHz频率范围分成14档不同带宽来处理。若采用一般的模拟低通滤波器必须电路繁复、换档不便、体积太大、不甚实用。用集成开关电容滤波器发展很快，生产公司不少，器件目前已系列化。它改变截止频率非常方便，只要程近不同的采样频率即可。因此，选择8阶开关电容椭圆低通滤波器MAX293作抗混滤波器用。理论上8阶低通滤波器适合于制作抗混滤波器，其截止频率后的衰减为160dB/10倍频，由文献（1）可知，如截止频率为1kHz，则到1.5kHz处，信号衰减了80dB[1]，接近理想的低通滤波器，这是由椭圆滤波的特点所决定的。实测的滤特图（幅频特性）也有相似结果。但在试制过程中，发现该滤波器有“共振”现象，以下就此现象试作分析。
    1 开关电容滤波器的“共振”现象
    在用NW1232低频频率特性测试MAX293的幅频特性时，发现屏幕上除了预期的幅频特性之外，在采样频率及其整数倍的频率处具有窄带通形状的峰值，其高度达到甚至超过了前面幅频特性平坦部分的最大值。也就是说，当输入信号频率等于采样频率或为采样频率的整数倍时，出现了这一现象。此现象从未见文献报导过，暂时称之为“共振”现象，如在使用中对其不加处理，则将严重干扰有用信号。为了弄清原因，重复作了试验。采取自动扫描、手动扫描、变采样频率后扫描等方法，该现象始终如期而至。为了滤去该“高频干扰”，在MAX293电路之后，接上模拟低通滤波器。然而不管接二除低通还是四阶低通模拟滤波器，其输出仍然存在该“干扰”，而且幅值无任何减小。
    2 “共振”现象的解释
    用模拟低通滤波器做实验，当然不存在此现象。因此，原因必然在于具有采样环节的开关电容上。在开关电容滤波器中，当开关频率（即采样频率、时钟频率）大大于信号频率时,开关电容等效于模拟阻容滤波器中的电阻，可推导出，其等效电阻R=1/（C·fc），其中C为电容，fc为开关滤波。

    1 类型选择
    这里所设计的开关电容滤波器是应用于电力线信号传输，传输信号频率为57.6±16、76.8±16和115.2±16 kHz，所以需要将电力线上的低频噪声(包括电力线上50 Hz的电源信号)滤除，同时还需要滤除各种不可知的高频噪声。这样带通滤波器成为最佳选择。
    滤波器的理想滤波特性是，通带内信号完全无衰减通过，阻带内信号完全衰减。但实际应用中，理想的滤波器是不存在的，只能用传输函数近似表达其滤波特性。根据对滤波器特性的不同要求，选择不同形式的近似函数，从而得到常用的滤波器：巴特沃思(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器、椭圆函数(Elliptic Function)滤波器。
    考虑电力线通讯中的信号与噪声特性，由于电力线所接触的环境复杂，噪声源多，所以电力线上的噪声能量很高。尤其在低频部分，其噪声能量比信号能量大很多倍。这就要求滤波器有良好的带外衰减特性，而且不允许阻带部分出现纹波。因此，椭圆函数滤波器就不能满足要求，而巴特沃思滤波器的衰减特性又不够好。综合考虑，切比雪夫滤波器是最佳选择。滤波器阶数越高，其滚降速度越快，但是也意味更大的功耗和版图面积。于是这里采用6阶带通切比雪夫滤波器。
    2 实现方式
    高阶滤波器的实现方式主要有2种：级联法和梯形法。级联法需要先得出满足频率特性要求的S域传输函数H(s)，然后经S域到Z域的频率变换后得出Z域传输函数H(x)。再将H(x)分解成一阶、二阶函数乘积，分别用一阶、二阶SC基本节实现，然后级联成整个开关电容滤波器电路。级联法实现高阶开关电容滤波器采用双线性变换法。这种方法简单明了，而且是直接级联，不存在基本节之间的反馈，只要基本节稳定，整个电路也就是稳定的。
    梯形法是无源梯形的有源SC模拟实现的。这种方法可进一步分为元件阻抗模拟和跳耦，前者以LC梯形滤波器为原型，用SC电路模拟原型中的阻抗元件而保持电压电荷关系不变;后者则通过用信号流程图表示LC梯形电路中的电压电流关系，然后用SC积分器实现开关电容滤波器。其中，有源跳耦结构是实现高选择性SCF的最佳选择。因为这种跳耦滤波器不仅具有通带低灵敏度特性，而且对寄生电容不敏感，因此是设计者的最佳选择。
    通过信号流程图法(SFG)，构建同相、反相、有损、无损开关电容积分器，获得梯形电路。但这种方法在LC电路原型的串臂中至少存在一个电感，而对于全极点高通SCF，不能使用这种方法，因而只能使用级联法。

    （1）噪声一个复杂的开关电容滤波器芯片中包含许多电容。为了使这些电容器的绝对值最小，以便保证较小的芯片面积，内部用到的电阻与大多数CM0S集成电路中所用的相比阻值更大。因而，开关电容滤波器的输出噪声比传统的有源滤波器要高。开关电容滤波器产生的噪声有两种类型：时钟馈通和热噪声。开关电容滤波器的时钟通常是工作频率的50或l0O倍，因此在输出端它能很容易地被简单RC滤波器滤除。热噪声位于信号带内，一般比工作信号强度低80dB上。针对最大信噪比进行优化的增益分配可将热噪声最小化。同时还需要对印制电路板的版图和去耦方案进行仔细设计。CMOS开关造成的对片上电容的电荷注人，以及较高的内部阻抗造成开关电容滤波器的直流失调比有源滤波器要高。然而，一些容性耦合结构可用来消除这个问题。
    （2）频率限制 开关电容滤波器有一个受限的性能参数，即中心频率与Q值的乘积。换句活说，越高的中心频率，可实现的Q值越低。对较低的Q值，传统的开关屯容滤波器可工作在上限为200 kHz左右的频率范围内。采用较新的亚微米技术后，工作范围已经被延展到几MHz.
    由于我们处理的是抽样系统，因此会发生混叠效应。如果输入信号的频率高于Fs/2，频谱将发生混叠：其中fs是内部采样频率（一般为截止频率的50或100倍）。如果混叠的频率分量的幅度相当大，则将造成感兴趣的信号不可用。有时可用输人端的RC网络来避免这一现象，尤其是输人信号为渚波成分丰富的矩形脉冲的情况。