Ch3-6-开关电容积分器
开关电容滤波器基本原理
模拟电路网络课件第四十一节:开关电容滤波器8.6 开关电容滤波器一、开关电容滤波器基本原理开关电容滤波器是由MOS电容、开关和运放组成，其整体结构简单、制造简易、价廉，性能较好，大有取代一般滤波器的趋势。
开关电容滤波器的基本原理是，电路的两节点间接有带高速开关的电容器，其效果相当于该两节点间连接一个电阻。
图1a所示是一个有源RC积分器。
在图b中，用一个接地电容C1和用作开关的源、漏极可互换的增强型MOS三极管T1、T2来代替输入电阻R1（注意此处T1、T2用的是简化符号）。
图中T1、T2用一个不重叠的两相时钟脉冲来驱动（见图1c。
假定时钟频率fc(=1/Tc)远高于信号频率，那么，在f1为高电平时，T1导通而T2截止[见图1d]。
此时C1与输入信号vI相连，即有：qC1=C1vI而在f2为高电平时，T1截止，T2导通。
于是，C1转接到运放的输入端，如图e所示。
此时，C1放电，将C1原来所充电荷qC1传输到C2上。
由此可见，在每一时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷qC1=C1vI。
供给了积分电容C2。
因此，在节点1、2之间流过的平均电流为如果Tc足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节点间定义一个等效电路Req，即和（1）这样，就可以得到一个等效的积分时间常数（2）显然，影响滤波器频率响应的时间常数取决于时钟周期TC 和电容比值C2/C1，而与电容的绝对值无关。
在MOS工艺中，电容比值的精度可以控制在0.1%以内。
这样，只要选用合适的时钟频率（如fc=100kHz），和不太大的电容比值（如10），对于低频率应用来说，就可获得合适的时间常数（如10–4s）。
二、同相开关电容积分器和反相开关电容积分器开关电容积分器电路如图1所示。
由图a可知，当f1为高电平，T1、T3导通，vI对C1充电；当vI为正，在图示vC1的假定正向下，充电结果vC1有一负电压。
当f2为高电平时，vC1将加到运放的反相端，使vO为正，与vI同相，因此，图1a是同相积分电路。
智慧树答案电子技术基础Ⅰ(模拟部分)知到课后答案章节测试2022年
第一章1.对PN结电击穿描述不正确的是（）。
答案:齐纳击穿原理与雪崩击穿原理近似相同，都是在外加反向电压下实现的2.2AP9表示的是（）。
答案:18世纪30年代到18世纪末3.对二极管模型的描述不正确的是（）。
答案:二极管小信号模型中的等效电阻值与二极管工作的Q点无关4.如图所示，设二极管为理想二极管，则A端的输出电压为（）。
答案:0V第二章1.晶体三极管形成原理描述不正确的是（）。
答案:由于基区很薄，电子和空穴在基区复合的概率较高2.对晶体三极管放大电路的工程常识描述不正确的是（）。
答案:放大电路的输出功率一般是瓦特级3.对共基极放大电路特性描述不正确的是（）。
答案:输入电阻小，对前一级放大电路或信号源的带负载能力要求不高4.对多级放大电路性能描述不正确的是（）。
答案:多级放大电路的电压增益等于各级放大电路电压增益分贝值之积5.已知b = 100，RS= 1 kW，RB1= 62 kW，RB2= 20 kW, RC= 3 kW，RE = 1.5kW，RL= 5.6 kW，VCC = 15 V。
则静态工作点分别为：（）。
答案:20μA，2mA,6V第三章1.测量某MOSFET的漏源电压为-3V,栅源电压为-2V，其开启电压或夹断电压为-1V，该管工作在（）。
答案:饱和区2.对N沟道增强型场效应管工作原理描述不正确的是（）。
答案:当漏极和源极之间加正向电压超过预夹断电压时，漏极电流减少3.在使用MOSFET时，下列描述不正确的是（）。
答案:由于FET的结构对称性，其漏极和源极在任何情况下都可以任意互换，其伏安特性几乎无变化4.如图所示耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 MW，RS = 2 kW，RD= 12 kW ，VDD = 20 V。
IDSS = 4 mA，UGS(off) = – 4 V，则 ID是（）。
答案:1mA5.采用二阶低通滤波器进行滤波时，设截止频率为，则10 处的增益与处的相差：（）。
Ch3-6 开关电容积分器
3.10 开关电容（SC ）滤波器用开关和电容来仿真电阻，构成的有源滤波器。
适于集成制造，具有精度高、价格低、使用方便灵活的特点。
此外还有：输入阻抗高、输出阻抗低、工作频率低（可达0.1Hz ）、电路简单、易调节参数等优点。
缺点是：有高频噪声产生、动态范围限制在80dB 左右、高频工作频率限制大约为200kHz 。
3.10.1 开关电容工作原理开关电容工作原理当开关S 1、S 2以较高频交替通断时，电源间歇向电容提供充电电流，从电源端看开关与电容部分相当于一个持续消耗电能的电阻。
为保证电源不会短路，S 1、S 2可以采用以1S C 、2S C 为触发信号的MOS 型开关。
一个周期内，电源提供给电容的电荷量：S u C q ⋅=，若开关频率为S f ，则单位时间内电源提供的电荷量S S S f Cu f q Q =⋅=，平均电流S S f Cu Tqi ==， SC 网络入端等效电阻SS Cf i u R 1==，如果用这样一个仿真电阻构成积分器如下图：开关电容反相积分器这里，开关1上的电容充电电流与开关2上的电容放电电流只在时间上相差半个周期，其他均相同。
s f C C C Cf s sRC s H S S1111)(111⋅-=⋅⋅-=-=，积分常数S f C C 11=τ，由于开关频率S f 可以调节，所以积分常数是可调的，并且积分常数由容量比决定，而不再与具体电容值有关。
在制造集成SC 滤波器时，所用到的器件（电容、电阻、开关等）均采用MOS 技术实现，简化了制造工艺，有利于提高集成度。
但是依赖于集成MOS 技术制造的电容，容量很难精确控制，误差会达到30%以上，不过依赖于同种制造工艺的电容，容量比却可以十分精确，精度可以达到0.1%以上。
因此，借助于SC 来实现电阻的集成滤波器，集成度高而且很精确。
当一个集成的通用滤波器器件内部需要用到多个SC 仿真电阻时， 每个仿真电阻都有一个S f 控制端，这样就衍生出了可编程SC 滤波器，不改变器件结构，通过编程指令改变滤波器的性能和参数。
用于sigma-delta调制器的开关电容积分器的设计
用于sigma-delta调制器的开关电容积分器的设计文章标题：深度剖析：用于sigma-delta调制器的开关电容积分器的设计在现代电子领域中，sigma-delta调制器作为一种常见的模拟数字转换器，其设计与性能优化一直备受关注。
而作为其关键组成部分之一，开关电容积分器在其设计中扮演着重要的角色。
本文将对用于sigma-delta调制器的开关电容积分器的设计进行深入探讨，旨在帮助读者全面理解该主题，并为其在实际应用中提供有价值的参考意见。
一、开关电容积分器的基本原理开关电容积分器是一种常用的模拟电路，它通过周期性地改变电容器的连接和断开状态，实现对输入信号的积分处理。
在sigma-delta调制器中，开关电容积分器通常被用于对模拟输入信号进行抽样和积分，是实现高精度和低失调的关键模块。
二、开关电容积分器的设计要点1. 电容器选型：在开关电容积分器的设计中，电容器的选型直接影响了其性能表现。
通常情况下，高质量、低漏电流和稳定温度特性的电容器是首选。
2. 开关电路设计：开关电路的设计应考虑到开关动作的精准性和开关与开关之间的互相干扰。
合理设计开关电路，可以有效减小开关过渡时的电压波动和开关之间的互相影响。
3. 时序控制策略：合理的时序控制策略可以保证开关电容积分器按照预定的时间序列进行操作，从而实现精确的信号积分和抽样。
三、开关电容积分器的优化方法1. 降低开关电容积分器的失调：通过合理设计和优化各个子电路的参数，如改进开关电路的精度、增加校准电路等方法来降低开关电容积分器的失调，提高其测量精度。
2. 降低开关电容积分器的噪声：采用抑制噪声的电路设计，如降低交流信号的传递、优化时序控制策略等方法，可有效降低开关电容积分器的噪声水平。
3. 提高开关电容积分器的动态性能：通过优化电路结构和改进开关电路设计，可以提高开关电容积分器的动态性能，如提高其输入动态范围、减小动态失真等。
四、个人观点和理解在实际设计中，用于sigma-delta调制器的开关电容积分器的设计需综合考虑电路参数、动态性能和失调噪声等方面的因素。
ch基本原理开关电容(演示文稿)
R V1 V2 T 1
I
C fcC
(1.3)
上式中，fc是开关的时钟频率。
3.开关电容等效电阻的讨论 (1)在以上分析过程中，我们假设V1和V2在开关 导通时是不变的.实际上这个假设只是一个近似。 但是，只要时钟频率远远大于信号频率，这个假 设就可以基本满足。 (2)从R的表达式可以看出，SC等效电阻的大小 与电容值和时钟频率成反比。如果电容取1 pF， 时钟频率取100kHz，这时SC等效电阻具有10MΩ 的 阻值。这样实现的电阻所占的芯片面积仅相当于 直接利用MOS工艺实现该电阻所占的芯片面积的大 约400分之一。 (3)用开关和电容构成的电路取代电阻，其原理 和电路都很简单，但其意义却非常重大。
开关电容网络最先是在高质量单片集成滤波 器的研究中受到重视和得到应用的。
早期的滤波器是用无源RLC电路实现的，但由 于电感难以集成，在六十年代，随着集成有源 器件和集成运算放大器的发展，人们开始致力 于用有源器件取代电感。由此导致了有源RC滤 波器的发展。
有源RC滤波器的缺点是： ①不便于用MOS工艺直接集成。 RC有源滤波器可以用混合集成技术集成，但 这种技术不能同目前的主流集成工艺即MOS集成 工艺兼容。因此，自七十年代起，追求用MOS工 艺技术单片集成高性能滤波器就成为滤波器研 究的主要方向。
从上式可以看出，当时钟频率fc一定时，SC 积分器传输函数仅是电容比C1／C2的函数。
由于SC等效电阻仅是一个近似的关系，所以 上式所描述的SC积分器传输函数也是一个近似 关系。
4．开关电容积分器的z域传递函数 下面从电荷守恒原理出发，推导出图1.2(b)中 电路的实际传输函数，并与式（1.8)的传输函数 进行比较。 (1) 电路的差分方程 为了得到电路的差分方程, 首先分析电路的工 作过程。 分析方法:假设初始时刻为t= nT(因为开关脉冲 的频率为T)，每间隔T/2分析一次电路的工作状 态(因为电路的状态每间隔T/2变化一次) 。
斩波稳定型开关电容积分器的设计
斩波稳定型开关电容积分器的设计斩波稳定型开关电容积分器是一种新型的电容积分器，它可以在所需的电容积分器功能范围内实现低泄漏率。
这种新型电容积分器具有高可靠性、低噪音和可靠的稳定性能。
它的灵活性和多功能性使它在电子设备中得到广泛应用。
1.术原理斩波稳定型开关电容积分器由一个电容和一个晶体管组成，它能够把稳定的电容变化率输入到晶体管的接口。
电容在输入和输出之间进行积分，而晶体管会对电容实施垂直切断，从而实现斩波和降噪声。
当电容电压上升或下降时，晶体管会把电容积分出来的电平稳定在一个特定的位置，从而达到稳定的作用。
2.构设计斩波稳定型开关电容积分器的结构设计通常包括：电容，晶体管，匝分室，连接等部件。
电容是斩波稳定型开关电容积分器最主要的部件，其容量越大，效果越好。
晶体管通常采用多离子器件，它能够实现电容容量的斩波和降低噪声。
匝分室的设置能够有效的提高斩波稳定型开关电容积分器的工作效率，而且有利于改善散热状况。
连接部件则是将各个部件组合在一起的关键部分。
3.作电路斩波稳定型开关电容积分器的工作电路主要是把输入电压和输出电压用电容连接，从而产生稳定的电容变化率。
当控制信号输入晶体管时，晶体管会把电容放电到某一特定的电平，这样就能够实现斩波积分和低噪音的目的。
4.计方法斩波稳定型开关电容积分器的设计方法主要是分析部件、外围电路，选择最优连接线路和内部参数，以及控制电路的设计。
首先，选择最优的部件以及外围电路，以确定设计的实际要求。
其次，根据实际要求，选择最佳的连接方式和内部参数，以确保设备的可靠性和可靠性。
最后，根据斩波的需求，设计适当的控制电路，以保证斩波稳定型开关电容积分器的准确性和稳定性。
综上所述，斩波稳定型开关电容积分器是一种新型的电容积分器，具有高可靠性、低噪音和可靠的稳定性能。
它的结构设计和工作电路能够有效的实现斩波积分和降低噪声的效果。
正确的设计方法和控制电路的开发可以为斩波稳定型开关电容积分器的可靠性和稳定性做出贡献，为电子设备的发展和进步做出贡献。
开关电容电路
基本概念
采用开关电容 如图：同样假设 运放增益无限大， 开关电容电路工作分二个阶段： a) S1、S2接通，S3断开
QVx = − AV Vx ⇒ Vout = Vx = 0
因此，C2两端的电压为零，C1两端的电 压为Vin。电荷为： Q = C1Vin b) 当t=t0时， S1、S2断开， QVin (t = 0) = V0 ⇒ Q = C1V0 S3接通 QVx ≈ 0 ⇒ C1 两端的电压为零，C2的电压为Vout C ∴ Q = C2Vout = C1V0 ⇒ Vout = 1 V0 采样信号放大C1/C2 倍 C2
(
2φF + Vin 2 − 2φF + Vin1
)
上式中，第一项表示增益误差，和单NMOS开关相同。 第二项表示二个单NMOS的非线性误差之差。 差分结构没有直流偏差。
MOS采样开关的误差消除技术
d. 下极板技术
CMOS工艺中电容的下极板带有较大的寄生电容，因 此，一般将电路中的关键节点和电容的上极板相连。 例如，在上述的开关电容电路中，电荷守恒的节点x 是关 键节点。将电容上极板和节点x相连，减小x点的寄生电 容，这种技术称为“下极板采样”技术。
∴F =
μn
L
2
L ↑⇒ F ↓ 和采样电容、沟道宽度的大小无关。
MOS采样开关的误差
2. 时钟馈通 MOS开关存在交叠电容。 假定：交叠电容=WCov，固定不变。
Vout (t = 0 ) = 0 Vin (t = 0 ) = 0
Q CK = 1 ⇒ Q = Vck × WCov
CK = 1 → 0, ⇒ Vout (WCov + C H ) = −VckWCov
开关电容放大器
用于温度传感芯片的开关电容积分器的设计
个 转换周 期 里 △ ∑调 制器 输 出 的脉 冲个数 ， 一 因此计
数器 的输 出值 就是该 转 换 时 间 内温 度 的对 应 值． 控制
时钟 模块负 责将外部 输入 时钟信 号转换 为 系统 工作所 需要 的时钟 信号 ， 为保护 系统提供 所需 复位 信号． 并 偏 置 和基准模 块用于提 供系统 所需 要 的偏 置 电流和偏 置 电压 ， 为 △ ∑调制器 的 Ａ／ 并 一 Ｄ转 换器 提供正 负 的基 准
维普资讯
１ 厶 调 制 器 的 组成 和 基 本 原理 一
△ ∑调 制器 的设 计 是 Ａ／ 转换 器 获得 高精度 数 一 Ｄ 据转 换和较 高信 号带 宽 的关键 ． 制器 的创 新在 于采 调
用 全差分 电路结 构 、 开关 电容积 分器 以及 过采样技术．
全差 分 电路 结构 可 以有 效 的 减少 谐 波失 真 ， 抑制衬 底 耦合 噪声． 开关 电容积 分器 通过 电容 比值 ， 精确 的 获得
关键词 ： 温度传感； 全差分开关电容积分器；－ △乏调制器； 全差分共源共栅放大器
中图分 类号 ： Ｍ ３ Ｔ ５
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编号 ：４８ ４９２０）６ ７２ ５ ０３－ ７（０７０－ ９－ ０ ０ ０
２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年代 中期 ， 着 半导 体 和集 成 电路工 随
收 稿 日期 ：０ ６１—４ ２ ０— ｌｌ ＊通 讯 作者 ： ｃｅ ＠ ｘ ．ｄ ． ｎ ｗｘｈ ｎ ｍｕ ｅｕ ｃ
中注入 电荷和 时钟溃 通带来 的 电压误差． 同时 ， 本文设 计 了一种 全差分 共源 共 栅 放 大器 ， 有足 够 大 的直 流 具
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3.10 开关电容（SC ）滤波器
用开关和电容来仿真电阻，构成的有源滤波器。
适于集成制造，具有精度高、
价格低、使用方便灵活的特点。
此外还有：输入阻抗高、输出阻抗低、工作频率低（可达0.1Hz ）、电路简单、易调节参数等优点。
缺点是：有高频噪声产生、动态范围限制在80dB 左右、高频工作频率限制大约为200kHz 。
3.10.1 开关电容工作原理
开关电容工作原理
当开关S 1、S 2以较高频交替通断时，电源间歇向电容提供充电电流，从电源端看开关与电容部分相当于一个持续消耗电能的电阻。
为保证电源不会短路，S 1、S 2可以采用以1S C 、2S C 为触发信号的MOS 型开关。
一个周期内，电源提供给电容的电荷量：S u C q ⋅=，若开关频率为S f ，则单位时间内电源提供的电荷量S S S f Cu f q Q =⋅=，平均电流S S f Cu T
q
i ==
， SC 网络入端等效电阻S
S Cf i u R 1==，如果用这样一个仿真电阻构成积分器如下图：
开关电容反相积分器
这里，开关1上的电容充电电流与开关2上的电容放电电流只在时间上相差
半个周期，其他均相同。
s f C
C C Cf s sRC s H S S
1
111
)(11
1
⋅-=⋅⋅-=-
=，积分常数S f C C 11=
τ，由于开关频率S f 可以调节，所以积分常数是可调的，并且积分常数由容量比决定，而不再与
具体电容值有关。
在制造集成SC 滤波器时，所用到的器件（电容、电阻、开关等）均采用MOS 技术实现，简化了制造工艺，有利于提高集成度。
但是依赖于集成MOS 技术制造的电容，容量很难精确控制，误差会达到30%以上，不过依赖于同种制造工艺的电容，容量比却可以十分精确，精度可以达到0.1%以上。
因此，借助于SC 来实现电阻的集成滤波器，集成度高而且很精确。
当一个集成的通用滤波器器件内部需要用到多个SC 仿真电阻时， 每个仿真电阻都有一个S f 控制端，这样就衍生出了可编程SC 滤波器，不改变器件结构，通过编程指令改变滤波器的性能和参数。
3.10.2 寄生电容问题
在SC 集成滤波器中，MOS 开关和电容的每个端子到地都有寄生电容存在，寄生电容的容量无法准确估计，有时寄生电容容量可以达到电容本身的10%，设计器件时应当尽量避免寄生电容对滤波器的性能及参数造成影响。
SC 反相积分器的寄生电容分布
1p C —开关S 1对地的寄生电容；
2p C —开关S 1、开关S 2、电容C 2的上极板对地寄生电容； 3p C —电容C 2下极板对地的寄生电容；
4p C —S 2和C 1上极板对地的寄生电容；5p C —C 1下极板对地寄生电容。
其中1p C 、3p C 、5p C 分别与输入电压源、短路线、输出端并联，对转移函
数无影响。
4p C 连接在“虚地”之间，在不考虑运放的非理想因素时，也无影响。
而2
p C 与C 2并联，将影响积分常数。
1. 对寄生电容不敏感的反相积分器
对寄生电容不灵敏的反相积分器
与前例电路相似的由制造S 1、C 1、C 2带来的寄生电容因为不影响积分常数，所以未画出，图中只画出了由开关改造带来的新寄生电容21p p C C ''、，可见寄生电容21p p C C ''、对电容C 2的充电路径（S 1闭合时）和放电路径（S 2闭合时）均不产生影响，所以也不影响转移函数。
2. 对寄生电容不敏感的同相积分器——开关位置与反相积分器不同。
对寄生电容不灵敏的同相积分器
对积分环节而言，SC 构成的仿真电阻
R f C
R S -=-=21等效
，S f sC C C R s s H 1
21)(1)(=--=
3. 差分积分器
可以使用叠加定理分析。
V 1单独作用时，V 2=0，积分器为反相积分；当V 2
单独作用时，V 1 =0，积分器是同相积分。
所以，
)()(121
2112212V V f sC C
V f sC C V f sC C s H S S S -=⋅-⋅=
4. 开关电容二阶通用滤波器
等效电路
其中1111111C K f C K R S '==
，1414411C K f C K R S '==，2
52551
1C K f C K R S '-=-=-
②节点：0)1()1(
31164
121=++++V sC C sK R V C sK R V o in ④节点：
02235
3
=++-o in V sC V C sK R V
2
5456
2
2
515223545
62
515
2234
65
21
253
2
1)(S S S S in o f K K f K K s s f K K f K K s s K K K K K s s K K K K s s K K K s K s K K s K K s V V s H +⋅++⋅+-=''+'⋅+''+'⋅+-='+⋅+''+⋅+'-==
式中K 参数均为电容比值，滤波器特征参数只与电容比有关。
540K K f S =ω，
4
56
5456560
1
,
K K K K K K K Q K K f Q
S ===ω，通过适当设计1K 、2K 、3K 可以实现不同种类的滤波器。
3.10.3 通用SC 滤波器
基本组成：运放级、求和级、两个SC 积分器（积分常数K 可以由时钟频率控制），内置开关S （可以由外部控制）。
有2个输入端子，3个输出端子。
通用集成SC 滤波器通过适当的外部连接可以实现各种不同的滤波特性。
使用非常灵活。
以外接反馈环路的不同分三种工作模式来讨论。
1. 工作模式一：从V 3、V 5引入到运放输入端的反馈，同时从V 6接负反馈到求和级。
2. 工作模式二：在模式一的基础上，再增加从V
到运放输入端的反馈。
6
3. 工作模式三：在工作模式二基础上去掉求和级反馈。
4. 工作模式四：改变输入信号接法
例：分析工作模式4—(1)的转移函数。
5
64
56345
32123V s
K V V s K
V V V V V V R R
V R R V in in ==--=--=→
BPF
)1(
)(LPF
)1(
)(2
3
221
2
552
3
222
1
2
66⇒⇒+⋅++⋅-==⇒⇒+⋅++-==K K R R s s K
R R s V V s H K K R R s s K R R V V s H in
in
⎥⎥
⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⋅++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+-=+⋅++⋅-⋅--==2
3222
12313221
2
2
3
2212321233)1()1()(K K R R s s K Ks R R R R R R s R R
K K R R s s K
R R
s R R R R V V s H in 当32123132)1(R R R R R R R R -=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+-时，即：122
12--=
R R 时，可以实现APF 。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
精选文档。