最近在一个低成本的血压计芯片上看到了开关滤波器,效果还是可以接受的。今天就好好盘一盘这个滤波器的原理和设计。
01
—
什么是开关电容?
我们之前提到的滤波器的特点是 都受元件比值的控制, 同时,由于组件的乘积,虽然比值可以通过具有良好温度和时间跟踪能力的设备来保持,但很难控制乘积。
如果滤波器功能和数字功能同时在芯片上实现,则必须使用构建滤波器的元件MOS晶体管和小MOS电容。这种限制促使开关电容(SC)过滤器的发展。过滤器通过MOSFET开关周期性作用于MOS模仿电阻的电容。它的时间常数取决于电容的比值,而不是RC乘积。
如上图所示MOSFET在电容电路方面,图中的晶体管属于N通道晶体管,导通时内阻很低,而不导通时内阻很高,所以MOSFET经常用作开关。试想一下,如果是两个mosfetG极在半个周期内交替导通,可以实现单刀双掷SPDT开关函数。
假设V1>V2,同时Q导通可以将电容C充电到V1,然后将Q电容C放电到2导通V2.那么这个过程就V1到V2转移的总荷为 ,如果Q1和Q2交替导通的频率为f,那么可以由在1秒内从V1到V2转移的电荷量来定义平均电流
如果进一步变换这个等式
可以看出,开关电容组合可以用一等效电阻来表示。
02
—
SC积分器
前面又说到RC积分器基于OP放大器的有源模拟滤波器设计--一阶有源滤波器有说到传递函数 ,其中
如果用一个SC电阻代替R,同时输入频率 满足 ,结合上面说的等效电阻的公式可以得出: