开关电容滤波器的设计与应用
吴　猛
(中国兵器工业第214研究所　蚌埠　233042)
摘　要　本文介绍了开关电容滤波器的结构与工作原理,并对美国L I N E AR 公司开关电容滤波器器件LTC1068系列具体应用做了介绍。

关键词　开关电容　滤波器
1　引　言
开关电容滤波器是利用开关电容网络构成的滤波器,它的出现促进了有源滤波器的集成化,随着集成电路制造工艺水平的提高,集成开关电容
滤波器的尺寸变得越来越小,设计也越来越简单,已大量运用到通讯及其他数字化系统。

目前,国际市场上开关电容滤波器件主要是美国MAX I M 和L I N E AR 公司生产的MAX29X 和LT C1068系列。

本文将介绍L I N EAR 公司LT C1068
的原
图1　LTC1068结构图
第23卷第4期2005年12月 集成电路通讯
J ICH EN GD I ANLU TON GXUN
Vol .23　No .4
Dec .2005
理及应用。

2　LTC1068电路结构
美国L I N E AR公司的LTC1068系列是低噪
声、高精度的通用滤波器组合模块,由4个相同的2阶开关电容滤波器单元组成。

内部结构如图1所示:
LT C1068系列芯片之间差别仅仅是时钟频率与中心频率之比(f
CLK
/f O)不同,单块芯片可以被设计成2阶、4阶或8阶滤波器。

L I N ERA公司
的开关电容滤波器按固定标称比f
CLK
/f O而设计。

多数应用场合设计滤波器要求不同的f
CLK
/f O,可通过用外部电阻和不同的连接方式加以解决。

3　引脚功能及技术特点
3.1　引脚排列
引脚排列如图2所示
:
图2　LTC1068引脚图3.2　引脚功能
LTC1068引脚功能如表1所示:
表1　LTC1068引脚功能
引脚序号符　号功 能引脚序号符　号功 能1I N VB信号反相输入端28I N VC信号反相输入端
2HP B/NB信号高通输入端27HPC/NC信号高通输入端
3BP B信号带通输入端26BPC信号带通输入端
4LP B信号低通输入端25LPC信号低通输入端
5S B求和端24SC求和端
6NC空脚23V-负电源
7AG ND数字地22NC空脚
8V+正电源21CLK时钟信号输入端
9NC空脚20NC空脚
10S A求和端19S D求和端
11LP A信号低通输入端18LP D信号低通输入端
12BP A信号带通输入端17BP D信号带通输入端
13HP A/NA信号高通输入端16HP D/ND信号高通输入端
14I N VA信号反相输入端15I N VD信号反相输入端
3.3　技术特点
a.工作电压可选择双电源±5V,单电源5V 或3.3V;
b.2阶滤波器中心频率误差±0.3%(典型
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　第23卷第4期 集成电路通讯
值)和±0.8%(最大值);
c .低噪声(2阶滤波器节,Q =5时)
LTC1068-200为50
μV RM S ;LT C1068为50
μV RM S ;LTC1068-50为75μV RM S ;LTC1068-25为90
μV RM S ;d .低功耗(
工作电压5V ),LTC1068-50工作
电流为4.5mA 。

4　工作原理
开关电容滤波器利用MOS 开关电容来模拟有源滤波器中的阳性元件,其等效模拟电阻值受外部时钟频率控制,改变外部时钟频率就可改变
R 、C 时间常数,从而达到改变滤波器截止频率的
目的。

图3为一阶RC 有源低通滤波器。

图3　一阶有源低通滤波器
一阶低通开关电容滤波器原理如图4所示:
图4　一阶开关电容滤波器
图中S1、S2为MOS 模拟开关,它们分别受两相不重叠时钟<1和<2的控制,C1为开关电容,在外部时钟<1和<2的作用下可等效为图3中的电阻R,等效阻抗与时钟频率相关。

C 为积分电容。

在第一个时钟半周期,<1为高电平,<2为低电平,则S1闭和,S2断开,输入电容C1被充电至Vin 。

在第二个时钟半周期,<1为低电平,<2为高电平,则S1断开,S2闭和,则C1上的电荷转移给积分电容C 。

在一个时钟周期内总转移电荷为:Q =C1×Vin 平均输入电流为:Iin =C1×V in ×f CLK 则C1的等效模拟电阻为:R in =1/(C1×f CLK )
开关电容滤波器的传递函数为:
H (S )=Y (S )/X (S )-C1×f CLK /SC 时间常数为:τ=R in ×C =C /(C1×f CLK )即开关电容滤波器的时间常数与两个电容之比和外部时钟频率有关。

在集成电路中,两个电容之比可视为两个电容面积之比,在现代半导体工艺中,其误差可控制在1%以内,且同一芯片上的两个电容受环境温度影响也大致相同。

由于时钟频率可以借助石英晶体震荡器来实现高精度和高稳定性,因而开关电容滤波器也具有较高的精度和稳定性。

5　设计及应用
5.1　开关电容滤波器器件的选型
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集成电路通讯
第23卷第4期　
在设计开关电容滤波器时,首先要考虑选择滤波器的类型。

从通带性质来分,滤波器有四种基本类型:低通滤波器(LPF )、高通滤波器(HPF )、带通滤波器(BPF )、带阻滤波器(BEF )。

此外,在滤波器设计中,按照不同的频域、时域特性要求,可分为巴特沃斯型(Butter worth )、契比雪夫型(Chebyshey )、贝塞尔型(Bessel )、椭圆型
(Eli p tic )。

美国L I N EAR 公司近来推出多种开关电容滤
波器件,其中LT C1068系列皆为由4个相同的2阶开关电容滤波器单元组成,单块芯片可以被设计成2阶、4阶或8阶滤波器。

不同型号的器件,适用于不同类型的滤波器,具体见表2:5.2　设计及应用
表2　LTC1068系列选择表型 号
滤波器类型阶　数
截止频率
LTC1068低通、高通
81Hz ～50k Hz LTC1068-25低通、高通84Hz ～200k Hz LTC1068-50带通、带阻82Hz ～30k Hz LTC1068-200
带通、带阻
8
0.5Hz ～15k Hz
5.2.1　设计软件
L I N E AR 公司为它的开关电容滤波器件设计
开发了专用软件Filter CAD 。

它功能强,使用简单,大大简化了设计。

Filter CAD 具有设计和分析双重功能,设计者不仅可以得到所需的设计电路,
还可以通过Filter CAD 对电路进行分析,掌握设计的滤波器的传输函数、频率响应、时域响应,从而更好地了解设计结果。

Filter CAD 菜单如图5所示:
该菜单有多项选择及设置。

可以选择滤波器
图5　Filter CAD 菜单
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3　第23卷第4期
集成电路通讯
类型,输入滤波器的参数,包括通带增益、阻带衰减、中心频率、通带宽度及阻带宽度等,响应形式上可选择Butter worth 、Chebyshey 、Bessel 等六种。

5.2.2　应用实例
设计一个Butter worth 低通开关电容滤波器,参数要求如下:f P =20kHz;
f S =40kHz;Amax =0.1dB;带外抑制40d B ,
生成电路如图6所示:
图6　Filter CAD 设计生成的电路图
6　结束语
开关电容滤波器已经日益发展成为一个成熟而应用广泛的技术,利用专有的设计软件辅助设计,是电路设计简单方便,它改变了大部分模拟电路设计靠手工完成的现状,节约了设计师时间,提
高了工作效率。

参考文献
1　美国L I N EAR 公司产品资料.
2　陆明述.开关电容滤波器原理与设计.
科学出版社,1996.
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第23卷第4期　。