实现开关电容滤波器的方法

最常用的抗混叠滤波器是一个一阶巴特沃斯低通滤波器，其电路结构如图9-11所示。由于其电路结构简单，所以被广泛应用，它的传递函数为

式中，通带增益A_vp=1+R₂/R₁。

图9-11 一阶有源巴特沃斯低通滤波器电路及幅频特性曲线

式（9-15）的结构与式（9-3）相同，由于滤波器阻带衰减太慢，输入信号在其截止频率附近的抗混叠效果极差。如果需要获得高品质的抗混叠效果，通常的做法是在巴特沃斯低通滤波原型上，设计高阶的滤波器，例如，五阶有源巴特沃斯低通滤波器。模拟滤波器阶数的增加在一定程度上增加了设计难度，而且由于模拟元件的非线性，对温度敏感，存在较大误差等缺点，许多工程师都不愿意使用这样高阶模拟滤波器，解决这一问题的最佳途径是选择集成滤波器方案。

集成滤波器有两种类型：连续时间滤波器和开关电容滤波器，前者通常需要外部元件调节角频率，从而限制了它的灵活性；后者可以根据其结构灵活使用，一般情况下，可以替代分离或集成连续时间滤波器。

开关电容滤波器（Switched Capacitor Filter，SCF）是基于开关电容技术来实现高阶滤波器，它是具有数字滤波器很多优点的模拟滤波器。

图9-12 开关电容原理框图

开关电容技术工作原理如图9-12所示。图中，在电容两端的开关控制下，电容被充放电。这种电荷转移过程产生脉冲电流，可以计算其平均电流，当开关频率足够快时，该电流等效于流过电阻的电流，可看作是电阻被一个电容所取代。各参数之间的关系如下：

式中 I——平均电流；

Q——总电荷；(www.xing528.com)

T——开关周期；

C——开关电容；

V——电容端电压；

R——开关电容工作时等效电阻。

由式（9-16）可知，电流和间接电阻值取决于两个因素，即电容大小和开关频率的高低。开关频率越高，电容值越大，则电流越大，或者说，电阻值越小。如果采用这种滤波器结构，频率特性将随着电容尺寸或者开关频率的变化而改变。

SCF是一种很早就被认可的滤波器结构，如图9-13所示。如今，它利用硅工艺技术能够可靠集成，开关和运算放大器有效地以单片集成形式实现，集成芯片可以保证很高的元件一致性（0.1%以内），电容值是固定的，滤波特性受开关频率控制。

图9-13 利用开关电容技术构成简单的滤波器

设计者可以从Maxim等公司获得这种芯片，例如MAX7418～7425系列产品，该系列滤波器提供各种五阶低通滤波器类型，如贝塞尔、巴特沃斯、椭圆滤波器等。截止角频率范围为1Hz～45kHz，准确度可以达到0.2%，开关频率很好地控制了集成滤波器的频响特性，其阻带衰减可在70dB以上。采用分离元件是很难达到这样指标的。由于开关电容滤波器将连续信号转换成离散信号，这意味着还是要再次考虑混叠问题，由于采样频率非常高，外部只需一个简单的RC滤波器。基于开关电容滤波器的数据采集系统方案如图9-14所示。图中，利用DS1085产生时钟，时钟信号使得SCF与MAX1067 A-D转换器完全同步，时钟频率与SCF截止角频率的比率为100∶1。DSP可以通过2线接口对DS1085编程，通过重新设置频率可以使得采样系统可以在不同的采样速率下工作，而不用更改PCB。

图9-14 基于MAX7418～7425系列SCF的数据采样系统原理框图

有时，在系统中需要避免使用SCF，因为它有很大的直流偏移，而直流偏移量对温度敏感。MAX7418～7425系列产品采用外接偏置调节电路来解决直流偏移量的问题，即对图中OS引脚输入可调节的补偿电压值。接入偏置调节电路后，SCF输出为