开关电容滤波器的设计与应用研究

　　摘要：可编程开关电容滤波器具有高灵敏度、操作性强、较高的可靠性和高精密度等特点，对于实际应用具有重要研究意义。该文首先从“开关电容滤波器类型的选择及实现、可编程开关电容带通滤波器的实现、运算放大器的设计、软件设计总体结构”四个方面论述了开关电容滤波器的系统设计及实现，随后介绍了开关电容滤波器的应用情况。
　　关键词：SCF；设计；应用
　　中图分类号：TP202文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1669-02
　　开关电容滤波器（SCF）是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。开关电容滤波的电路与制作工艺水平关系不大，它的设计主要是依靠具有连续时间滤波器功能的等效采样电路。随着科技的发展，对模拟电路设计水平的要求越来越高，这就要求可编程开关电容滤波器具有高灵敏度、操作性强、较高的可靠性和高精密度等的设计方向发展。因此，不论从理论上还是实际应用，可编程开关电容滤波器具有重要意义。
　　1 开关电容滤波器的总体设计及实现
　　1.1 开关电容滤波器类型的选择及实现
　　1) 开关电容滤波器类型的选取
　　根据频域内通带和阻带所处的位置不同，可将滤波器分类为低通、高通、带通和带阻四种主要类型。本文中所设计的滤波器是应用于电力线路信号的传输，所传输的信号频率范围分别为48.6±16kHz，64.8±16kHz和108.2±16kHz，因此需要将电力线路上的低频噪声滤除，同时还需要考虑将不可知的高频噪声信号滤除。为了满足这样的条件，就选择了带通滤波器。常用的滤波器型号有三种：切比雪夫（Chebyshev）滤波器、巴特沃思（Butterworth）滤波器、椭圆函数（Elliptic Function）滤波器。由于电力线通常所接触的周围环境比较复杂，噪声源很多，所以往往电力线上的噪声能量很高；尤其是在低频部分，其噪声能量通常可以比信号能量大很多倍，这种情况也是很常见的。因此考虑到电力线路通讯中的信号与噪声特性，这就要求所设计的滤波器必须有良好的带外衰减性能，而且不允许出现纹波，因而椭圆函数滤波器不能满足这种性能要求，而巴特沃思滤波器的衰减特性又不好。因此，最佳选择是切比雪夫滤波器。一般来说，滤波器阶数越高，其滚降速度越快；但同时也要求更大的功耗和所占用面积，于是综合考虑上面所有因素，本文采用六阶带通切比雪夫滤波器。
　　2) 开关电容滤波器实现方式的选取
　　高阶滤波器主要有两种实现方式：级联法与梯形法。对于级联法，首先，在满足频率特性要求下，得到S域下的传输函数H(s)，然后通过从S域到Z域的频率变换，得出z域中的传输函数H(z)。再进一步将传输函数H(z)分解成一阶函数与二阶函数的乘积，并利用一阶与二阶SC基本节来实现，最后级联成完整的开关电容滤波器电路，如图1所示。
　　这种以级联实现的方法，同有源RC滤波器中所运用的级联法相似，其最根本问题就是基本一次节与基本二次节的实现问题。由于双线性变换的很可靠，级联法中常常使用这种变换方法来设计开关电容滤波器。因为这种方法具有很多独特优点，比如实现起来很简单，并且是直接级联，因而只要基本节稳定，将不会出现基本节之间的反馈问题，整个电路将会很稳定。笔者正是考虑到由于这些优点，选用的六阶带通Chebyshev滤波器的设计就是依靠这种结构。
　　1.2 开关电容带通滤波器的理论实现
　　开关电容带通滤波器的编程主要对象是为了频域响应，编程一般包括通带频率ω0编程、传函增益编程、品质因数Q编程等等。最常用的编程是，对中心频率的编程，并且也是最重要的部分之一。因此笔者所设计的滤波器，就是针对中心频率部分进行编程。
　　低Q值的开关电容二次节得到非常广泛的使用，因为其可靠性很高。下面我们来逐渐分析其特性，是否能满足中心频率编程要求。由上图2中所示，图中是一种常用的低Q值开关电容二阶带通滤波器，不难得出其Z域中的传输函数。通常开关电容滤波器是针对信号进行采样，故假设ωT远小于1；从而可以得到低Q值结构的等效s域中的H(s)传输函数，正如下式（1）所示。我们为获得较好的动态范围，选取α2=α5。由此可见，中心频率ω0的调节，可以通过对α2和α5同步编程控制来实现。在时钟频率一定时，α6=ω0T/Q不变，则可以保证ω0/Q的值不会变，从而保证ωb值和G0值恒定，这正是我们所需要的设计结构。然而，在我们所设计的滤波器当中，Q值并不低，从而很可能导致α6=ω0T/Q值变得很小很小，可能会非常接近于0.001，这将会对电容散布带来不利的作用。再来分析高Q结构，不难发现，在中心频率ω0处，当且仅当α2=α5时，有V1(z)=Vout(z)。利用matlab模拟仿真，我们发现低Q结构更能满足我们对设计性能的要求，更加合适。
　　 （1）
　　1.3 运算放大器的设计
　　开关电容滤波器电路设计中，运算放大器是一个非常至关重要的元器件之一。如果运算放大器的性能指标设计不合理，会对整个滤波器的设计性能造成非常大的影响。所以使得我们必须从整个系统的性能要求考虑，来选择满足滤波器的性能要求的运放指标。整体来看，本次滤波器的设计指标见表1。对于给定电路性能指标的运算放大器来说，必须选择合理的结构，这是整个设计中最为关键的部分，结构见图3。
　　1.4 软件设计
　　系统控制包括很多方面，比如高、低峰值检测、滤波器控制、信号的增益控制、通道控制以及显示控制等等。下面我们主要介绍滤波器芯片的控制。
　　滤波器芯片的控制主要分别包括两个模块，它们是：时钟发生模块和编程参数控制模块。时钟发生模块根据各二阶滤波器组件，生成各种各样的所要求的时钟信号，我们设计的可编程滤波器系统总共需4路时钟控制信号；另外，编程参数控制模块是用于实现芯片内部软件程序的存储器编程，它又可以分为两个模块：编程参数读取子模块和时序控制子模块。
　　本系统中滤波器有两种工作模式，分别是：典型工作模式和手动模式。一般在典型工作模式下的逼近函数是可以很容易确定的，所以其所用编程代码也是很好确定，我们将编程所用代码存入存储器后，然后根据设计的滤波器来读取参数编程代码；在手动模式下，所用到得编程参数是由外部来输入。一般为了方便下载编程，可以将三个二阶滤波器节的编程代码组成64位。每种逼近函数中，各阶次低通滤波器、高通滤波器以及带通滤波器对应一个64位的编程控制字。
　　控制字的位数通常是恒定的，这个参数与所用滤波器的阶数无关系，将未使用的二阶滤波器组件上所的直接对应控制字位一定要设置为零，这样可以使未用的组件的时钟信号保持高阻态，所以即使对其进行写操作，但该组件仍不会工作，将不会对总滤波器电路构成影响。
　　分别将48个64位的控制字逐次存入FPGA中的块RAM，从而生成ROM，然后ROM读取地址来源的设定，是根据类型、逼近函数、阶数和频率的范围来生成。将程序编码下载后，在典型工作模式下，先从存储器中读取控制字；而在手动模式下，根据外部人为地输入生成64位控制字的编程参数，编程参数控制一般是在键值处理过程程序中实现，编程模块将直接组合好的控制字读入到指定位置。图4就是编程软件中控制字读取模块生成的仿真波形。
　　2 开关电容滤波器的应用情况
　　可编程开关电容滤波器主要应用于工作频率在25MHz以内的信号传输及处理。比如，振动杂音分析、音乐合成综合、共振音谱检测、语言合成、不同音调选择、合成声频语音编码等等。可编程开关电容滤波器特有的灵敏度高、可操控性强、可靠性高、精度高、能耗低优点，使得开关电容滤波器广泛用在信号仪表测量、医院医疗仪器的数据或信息处理领域。
　　上个世纪，可编程开关电容滤波器已引起发达国家的关注和重视。比如，著名的美国MAXIM公司，开发的MAX370/371/372是就是一种广泛通用的滤波器，它可以通过用微处理器编程控制，通过很方面的方法构成各种电路配置，不需要额外的外部元件，其具有可靠性高，对使用环境的抗干扰强的特点，是目前通讯信号处理领域广泛应用的开关电容滤波器。而国内的可编程开关电容滤波器商业产品的却是非常少。上世纪八十年代，随着超大规模集成电路的迅猛发展，在单位芯片面积，集成越来越多的同一种工艺的电阻、电容等电子元器件。但是，由于传统集成电阻自身固有的缺点，大家通常知道，其占用面积大，温度系数也较大，电压系数较高，使得电路功耗增大，从而大大制约了超大规模集成电路往小型化的发展。正是为了克服上述缺点，人们开始研究代替传统集成电阻的新方法。
　　3 结束语
　　综上所述，我们可以很清楚的得到可编程开关电容滤波器设计中的几个要点。滤波器设计第一步是选择合理的滤波器的类型和阶数；滤波器设计中两个关键点分别是：（1）得到各级传输函数；（2）针对给定的滤波器传函，选择最合适的结构；高性能的运算放大器是高性能滤波器中必不可少的一个元件。
　　参考文献：
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