來自物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器和制造商項(xiàng)目的模擬信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化之前需要進(jìn)行一些電平信號(hào)處理。然而,這種模擬信號(hào)處理級(jí)可能體積龐大,成本高,不準(zhǔn)確并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不穩(wěn)定。使用開關(guān)電容濾波器進(jìn)行抗混疊,設(shè)計(jì)人員可以大大減輕這些問題,同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。
需要使用抗混疊低通濾波器來確保傳感器信號(hào)在ADC之前具有適當(dāng)?shù)膸捪拗啤5湫偷臒o源低通濾波器需要龐大的電感器和大電容器。就有源而言,有源電阻 - 電容(RC)濾波器需要大值RC時(shí)間常數(shù)。在這兩種情況下,濾波器對(duì)RC元件容差和溫度穩(wěn)定性都很敏感。
此外,在集成電路中難以以合理的精度實(shí)現(xiàn)大電阻值。這導(dǎo)致IC設(shè)計(jì)帶有外部電阻和電容,從而增加了濾波器的元件數(shù)量,成本,復(fù)雜性和體積。
為解決這些問題,設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮開關(guān)電容架構(gòu)以提高精度和過濾器的容積效率。這些設(shè)計(jì)通過精確定時(shí)的開關(guān)元件控制電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移,提供相當(dāng)于電阻的電阻。電容器和相關(guān)開關(guān)很容易以單片形式實(shí)現(xiàn)。
本文將詳細(xì)介紹開關(guān)電容濾波器(SCF)的操作原理,作為無源和有源濾波器的替代方案。將介紹樣本解決方案以說明它們是如何實(shí)現(xiàn)的。
什么是別名?
包括ADC和DAC的采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)備必須是采樣量大于輸入端出現(xiàn)的最高頻率的兩倍。如果通過在頻率過低的頻率下采樣來違反奈奎斯特準(zhǔn)則,則在濾波器的頻率通帶中會(huì)出現(xiàn)不需要的雜散信號(hào)(圖1)。
圖1:當(dāng)采樣率小于輸入信號(hào)帶寬的兩倍時(shí)產(chǎn)生混疊。來自下邊帶圖像的關(guān)于采樣頻率的信號(hào)分量被外差到基帶信號(hào)中,導(dǎo)致無法消除的失真。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)
上圖顯示了以大于信號(hào)帶寬兩倍的頻率采樣的時(shí)域信號(hào)(左)。右側(cè)的頻域視圖顯示從DC到fBW的基帶信號(hào)與采樣頻率fS的下邊帶圖像分開。
下圖顯示混疊條件。時(shí)域信號(hào)(左)在信號(hào)帶寬的兩倍以下被采樣,違反了奈奎斯特準(zhǔn)則。在頻譜(右)中,采樣頻率向左移動(dòng),反映了較低的采樣率。關(guān)于采樣時(shí)鐘的圖像的下邊帶現(xiàn)在與使用寄生信號(hào)污染其頻譜的基帶信號(hào)重疊。一旦發(fā)生這種情況,原始信號(hào)就不再可恢復(fù)。
有兩種常用的方法可以防止混疊。可以使用低通濾波器將輸入限制為ADC。這就是SCF的用武之地。也可以將采樣率提高到足以保證采樣率大大超過輸入信號(hào)帶寬。
配置為低通濾波器的SCF做了令人欽佩的預(yù)防工作走樣;但它們也是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng),因此必須符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)。然而,SCF通過要求采樣頻率為輸入信號(hào)帶寬的五十到一百倍來避免混疊。這提供了足夠的保護(hù)帶以防止混疊。如果使用較低的采樣頻率,則可以在SCF之前使用簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器以防止混疊。在大多數(shù)情況下,這些濾波器可以像單極RC低通濾波器一樣簡(jiǎn)單。
開關(guān)電容與連續(xù)時(shí)間濾波器
使用簡(jiǎn)單的方法將SCF與連續(xù)時(shí)間濾波器進(jìn)行比較很容易單極RC低通濾波器(圖2)。
圖2:將連續(xù)時(shí)間RC低通濾波器與SCF進(jìn)行比較,表明開關(guān)電容充當(dāng)電阻器。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)
頂部原理圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的單極RC低通濾波器。 -3分貝(dB)帶寬表示為公式1:
低頻濾波器截止頻率需要較大的電阻值。如果將這樣的電阻器結(jié)合到單片IC中,則電阻的容差將在20%至50%的量級(jí)。
圖1中的下部示意圖是相同的開關(guān)電容器實(shí)現(xiàn)。低通濾波器。開關(guān)S1和S2由頻率為fS的非重疊時(shí)鐘j1和j2驅(qū)動(dòng)。 S1首先將輸入電容器C2連接到輸入VIN。然后S1打開,S2關(guān)閉,允許C2與C1共享其電荷。從輸入(VIN)傳輸?shù)捷敵觯╒OUT)的電荷使用公式2計(jì)算:
在開關(guān)電容配置中,帶寬取決于采樣或時(shí)鐘頻率,以及開關(guān)電容器C2與積分電容器C1的比率。在單片IC結(jié)構(gòu)中,電阻器由小值電容器和開關(guān)代替。這兩個(gè)元件都很容易集成到IC中,只占用芯片上的一小塊區(qū)域。
濾波器的截止頻率與采樣時(shí)鐘頻率成正比,因此時(shí)鐘可用于調(diào)整濾波器,這是靈活性方面的一個(gè)重要特征。采用高質(zhì)量的采樣時(shí)鐘源可確保時(shí)鐘頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,從而保證濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。
另請(qǐng)注意,截止頻率與電容值的比例成正比,可以是在IC結(jié)構(gòu)中保持在<0.1%的容差水平。溫度變化同時(shí)影響電容器,并且比率趨于保持恒定。
開關(guān)電容濾波器構(gòu)建模塊
濾波器圍繞配置為積分器的無功元件構(gòu)建。通常,濾波器設(shè)計(jì)為每個(gè)積分器獲得一個(gè)極點(diǎn)。開關(guān)電容取代模擬積分器設(shè)計(jì)中的電阻元件(圖3)。
圖3:開關(guān)電容取代了模擬積分器中的電阻。使用由兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的CMOS FET實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)
開關(guān)電容用于替換模擬積分器中的電阻。使用由非重疊j1和j2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)CMOS FET實(shí)現(xiàn)切換。
實(shí)際上,像雙極通用狀態(tài)變量設(shè)計(jì)這樣的模擬濾波器可以作為CMOS開關(guān)電容濾波器執(zhí)行(圖4)圖4:雙極狀態(tài)變量通用濾波器與SCF的比較。圖。
圖4:兩極狀態(tài)變量通用濾波器與SCF的比較。兩者都是通用濾波器,提供高通,低通和帶通輸出(圖像源:Digi-Key Electronics(A)和Texas Instruments(B))
SCF(B)實(shí)際上是功能框圖德州儀器(TI)的MF10CCWMX/NOPB雙通用SCF。與模擬狀態(tài)變量濾波器一樣,它每個(gè)部分包含兩個(gè)積分器級(jí)。在這種情況下,它們是開關(guān)電容積分器。每個(gè)部分都可以實(shí)現(xiàn)兩極二階濾波器,最大截止頻率為30 kHz。連接這兩個(gè)部分允許在單個(gè)IC封裝中實(shí)現(xiàn)四階濾波器。它不需要任何外部電容,只需要電阻。它需要一個(gè)所需截止頻率的50或100倍的時(shí)鐘。
SCF實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子是使用MF10的兩個(gè)部分來創(chuàng)建一個(gè)1 KHz的低通濾波器(圖5)。
圖5:使用MF10 SCF IC實(shí)現(xiàn)的四階1 kHz低通濾波器。 (圖像來源:德州儀器)
集成和開關(guān)電容都在20引腳IC內(nèi)部。用于設(shè)置濾波器特性的唯一外部元件是電阻器。該電路設(shè)計(jì)使用單個(gè)10伏電源配置MF10。時(shí)鐘頻率是1 kHz截止頻率的100倍。
使用SCF進(jìn)行設(shè)計(jì)
供應(yīng)商可能會(huì)提供設(shè)計(jì)工具來加速設(shè)計(jì)階段。一個(gè)例子是ADI公司的LTC1060雙通用濾波器構(gòu)建模塊IC,它在公司的LTspice XVII仿真程序中得到了支持(圖6)。
圖圖6:在ADI公司的LTspice XVII中建模的4極低通濾波器的設(shè)計(jì),顯示了原理圖和頻率/相位響應(yīng)曲線。 (圖像來源:Digi-Key Electronics)
ADI公司為L(zhǎng)TC1060濾波器構(gòu)建模塊提供了一個(gè)spice模型。它是一款雙通用SCF IC,工作頻率高達(dá)30 kHz,最大時(shí)鐘頻率為500 kHz。每個(gè)濾波器部分包含兩個(gè)積分器,每個(gè)部分提供兩個(gè)極點(diǎn)。憑借其六種工作模式,它可配置為低通,高通,帶通或帶阻濾波器。該設(shè)計(jì)實(shí)例結(jié)合了IC的兩個(gè)部分,創(chuàng)建了一個(gè)4 kHz 200 Hz低通濾波器,其時(shí)鐘頻率為10 kHz。該設(shè)計(jì)僅使用七個(gè)電阻器,不使用電容器或電感器。
除了這些通用濾波器外,還有特定濾波器類型的SCF。 Bessel,Butterworth,橢圓和線性相位濾波器配置可從主要供應(yīng)商處獲得。
結(jié)論
如圖所示,SCF提供精確的頻譜控制,可在集成電路上輕松實(shí)現(xiàn)。與基于模擬RC的濾波器相比,它們提供了性能,尺寸和成本改進(jìn),而在有源濾波器的情況下,它們無需外部無功元件即可實(shí)現(xiàn)。一個(gè)強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)是可以通過改變時(shí)鐘頻率來實(shí)時(shí)改變?yōu)V波器的頻率特性。
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