基于开关电容滤波和AGC放大器的信号调理电路设计＊

周志宇 胡 刚 刘谋荣 安志鸿

（中船重工集团第722研究所 武汉 430079）

1 引言

低频信号调理电路作为模拟前端，信号变化的动态范围大，最大时可相差几十分贝，而且为了达到最佳的数据采集效果，其工作带宽相对于中心频率往往较小，要求滤波器的Q值较高，这样就要求电路有较大的动态增益控制范围，滤波器有较高的Q值。本文针对以上特点，以开关电容滤波器及电压控制AGC放大器为核心部件，设计了一种应用于低频信号的调理电路，该电路能实现80dB的增益动态范围，可变中心频率滤波。

2 开关电容滤波器工作原理

开关电容滤波器是一种新型的大规模集成器件，其主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻，是数字电路和模拟电路的结合，可以将很多有源的RC 滤波器转换成开关电容滤波器［1～2］。与常规的RC滤波器相比，其具有以下优点：1）开关电容滤波器的极点位置不再由RC 乘积来决定，而是由电容比来决定，电容比能够精确地控制，且温度性能好；2）开关电容滤波器在使用时无需更换元件，只需改变时钟频率就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值。因此，开关电容滤波器获得了广泛的应用。

开关电容由模拟开关和电容组成，开关电容电路可以等效为一个电阻，其基本电路及时钟信号如图1所示，起开关作用的MOS管T1和T2是由时钟信号Φ和来控制的，Φ和是反相的。当时钟Φ为高电平时，T1管导通，T2管截止，电容C与1-2端接通，充电电荷为Q＝CV1；当时钟信号为高电平时，T2管导通，T1管截止，电容C与3-4端接通，充电电荷为Q＝CV2。若设电路的时钟周期为Tc，则在此时间内从1-2端向3-4端传输的电荷为ΔQ＝Q1-Q2，由1-2端流向3-4端的平均电流为I＝ΔQ／Tc＝C（V1-V2）／Tc。

图1 基本开关电容电路及时钟信号

一般时钟频率fclk是信号频率的几十倍至几百倍，此时开关电容电路相当于一个电阻R，其等效电阻值为R＝（V1-V2）／I＝Tc／C＝1／fclkC，由此可见等效电阻的值与时钟频率和电容的值成反比。当然实际上，V1和V2是随时间变化的，但只要时钟频率fclk与信号频率比足够高，就可以认为V1（t＋T）与V2（t＋T）分别和V1（t）与V2（t）近似相等，上述等式成立。对于RC滤波器，只要用开关电容代替电阻，就可以构成开关电容滤波器。

3 电压控制AGC放大器工作原理

图2 电压控制AGC放大器电路原理框图

电压控制AGC放大器工作原理框图见图2，可控增益放大器的放大倍数AV受控制电压Vc的控制，闭环后系统对Av进行自动控制［3］。环路中检波器检测出反映信号电平的有效值，通过低通滤波器后，在比较器中与参考电平Vr相比较，产生控制信号Vc去控制Av。若输入电压幅度Vi增加或电路参数变化使增益变大而导致Vo增加时，环路产生控制信号，使Av减小；反之，在各种因素造成Vo减小时，环路也会产生控制电压Vc，使Av增加。即通过环路控制作用，无论变化Vi或系统参数变化，输出信号电平Vo都将保持在由Vr决定的电平上几乎不变。图2中，低通滤波器的作用是决定反馈支路的反应速度，因此，低通滤波器时间常数是整个自动增益控制环路的重要参数。时间常数小，通带宽，反应速度快，即在输入端信号起伏频率较高时，自动增益控制系统的反馈支路也能及时地反应，使输出的信号基本保持不变。

4 信号调理电路设计

4.1 电路原理框图设计

根据低频电路模拟前端的性能要求，信号调理电路的设计框图如图3所示，电路采用硬件AGC控制［4］。有效值检波电路对信号输出进行有效值检波，检波结果与比较器设定好的门限值作比较，比较结果经滤波后送入可控AGC的控制端，控制可控增益放大器的增益，使得当输入信号弱时增益大，输入信号强时增益小，使输出端电压几乎不变，维持在设定好的门限值左右。为了达到系统要求的动态范围，选用两级可控增益放大器；为了得到较高的Q值及可变中心频率，在两级之间插入开关电容带通滤波器；为了提高信号调理电路的灵敏度及获得相应的增益，在输入端加前置放大滤波器。

图3 信号调理电路原理框图

前置放大滤波器运算放大器应选用低噪声运算放大器，增益可根据要求设定，如20dB；可控增益放大器可选择低噪声可控AGC放大器［5］；开关电容滤波器应选择中心频率在20kHz以上的开关电容带通滤波器。

4.2 开关电容滤波器电路设计

本文选择开关电容LTC1064，它是一个低噪声，高速开关电容滤波器，内部含有四个独立、高速、低噪声的两阶开关电容滤波器结构单元；每个单元通过外部时钟和电阻，就可以提供低通、高通、带通和陷波器等不同种类的二阶滤波器，且每个二阶滤波器的截止频率或中心频率取决于外部提供的时钟频率［6］。因此，只要通过改变输入到LTC1064的时钟频率就可以灵活地改变滤波器的截止频率或中心频率。

本文设计的带通开关电容滤波电路如图4所示［7］，其中时钟频率由数字电路提供，时钟频率为信号频率100倍，其带宽为中心频率±10%。

图4 开关电容滤波电路

4.3 自动增益控制电路反馈支路设计

如图3要求，自动增益控制电路关键在于反馈支路的性能，如检波器的精度，低通滤波器的时间常数等，这样产生的控制电平能准确地根据信号的强弱实时地控制可控放大器的增益，使输出稳定在基准电平左右［8］。本文中所选检波器为AD 公司真有效值检波器AD637，其精度高，带宽8MHz，输入电平范围宽［9］。

图5 自动增益控制电路反馈支路原理简图

本文中自动增益控制电路反馈支路如图5所示，电路输出经AD637检波电路检波后，得到其有效值，有效值与比较器的基准电压比较，积分后得到控制电压，控制电压送入可控增益放大器的电压控制端，控制输入信号增益的变化，使输出电压稳定在基准电平左右。

5 动态范围测试及结果

本文电路在测试过程中，输入采用信号发生器加衰减器给出单频正弦信号，幅度范围为-100dBv～-20dBv，输出信号采用数字示波器观测的方法，其最终输出信号可稳定在1dBV 左右；滤波特性在以3kHz为中心频率信号输入开关电容滤波器测试，其在距离中心频率±17%时，衰减量约为20dB；噪声系数测量采用正弦波发生器法［10］，用EMI接收机在200Hz测量带宽测量，在工作频带内测量的本级等效输入噪声为

6 结语

开关电容滤波器可以通过改变其时钟频率来改变滤波器的特征频率或中心频率，具有较好的稳定性，且电路体积小，非常适合低频信号的处理。本文针对低频信号输入信号的动态范围，设计了一种硬件AGC 增益控制电路，其动态范围达到了80dB，具有较低的噪声，具有一定的参考意义。

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