开关电容滤波器的系统设计与实现

　　开关电容滤波器(Switch Capitor Filter，SCF) 是一种由MOS 开关、电容器和运算放大器构成的离散时间模拟滤波器，实际应用中，该滤波器可与其他电路集成在同一个芯片上，通过外部端子的适当连接获得不同的响应特性。某些单独的开关电容滤波器可作为通用滤波器使用，例如自适应滤波、跟踪滤波、振动分析以及语言和音乐合成等。但运算放大器带宽、电路的寄生参数、开关与运算放大器的非理想特性以及MOS 器件的噪声等都会直接影响这类滤波器的性能。开关电容滤波器的工作频率不高，其应用范围目前仅限于音频频段。但随语音/数据通信及微电子测量仪器领域内对单片集成MOSFET 有源滤波器的需求剧增，促使了开关电容滤波器的研究与开发，特别是高阶SCF。因此，这里提出一种开关电容滤波器的系统设计方案。

　　1 开关电容滤波器的选型

　　1.1 类型选择

　　这里所设计的开关电容滤波器是应用于电力线信号传输，传输信号频率为57.6±16、76.8±16 和115.2±16 kHz，所以需要将电力线上的低频噪声(包括电力线上50 Hz 的电源信号)滤除，同时还需要滤除各种不可知的高频噪声。这样带通滤波器成为最佳选择。

　　滤波器的理想滤波特性是，通带内信号完全无衰减通过，阻带内信号完全衰减。但实际应用中，理想的滤波器是不存在的，只能用传输函数近似表达其滤波特性。根据对滤波器特性的不同要求，选择不同形式的近似函数，从而得到常用的滤波器： 巴特沃思(Butterworth) 滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器、椭圆函数(Elliptic Function)滤波器。

　　考虑电力线通讯中的信号与噪声特性，由于电力线所接触的环境复杂，噪声源多，所以电力线上的噪声能量很高。尤其在低频部分，其噪声能量比信号能量大很多倍。这就要求滤波器有良好的带外衰减特性，而且不允许阻带部分出现纹波。因此，椭圆函数滤波器就不能满足要求，而巴特沃思滤波器的衰减特性又不够好。综合考虑，切比雪夫滤波器是最佳选择。滤波器阶数越高，其滚降速度越快，但是也意味更大的功耗和版图面积。于是这里采用6 阶带通切比雪夫滤波器。

　　1.2 实现方式

　　高阶滤波器的实现方式主要有2 种： 级联法和梯形法。

　　级联法需要先得出满足频率特性要求的S 域传输函数H(s)，然后经S 域到Z 域的频率变换后得出Z 域传输函数H(z)。

　　再将H(z)分解成一阶、二阶函数乘积，分别用一阶、二阶SC基本节实现，然后级联成整个开关电容滤波器电路。级联法实现高阶开关电容滤波器采用双线性变换法。这种方法简单明了，而且是直接级联，不存在基本节之间的反馈，只要基本节稳定，整个电路也就是稳定的。