详解开关电容滤波器的最大动态范围和最小电容面积

信息来源: 时间:2021-3-17

详解开关电容滤器的最大动态范围和最小电容面积

开关电容滤波器初步设计之后,要对其电容比进行修正,即所调对电容比进行尺度变换,以获得最大动态范围和最小的电容面积。开关电容滤波器的动态范围定义为20 log(image.pngimage.png,此处image.png是开关电容滤波器的输出端在没有明显失真条件下,其最大输入信号幅度,它主要受运放饱和工作状态的限制;image.png是能够从输出噪声中识别出开关电容滤波器输出电压的最小输入信号幅度,它主要受运放和开关噪声以及开关馈通信号大小的限制。一般情况下,开关电容滤波器的最大动态范围约80~90分贝。动态范围越大,开关电容滤波器处理小信号的能力越强。

下面来讨论开关电容滤波器怎样获得最大动态范围和最小的电容面积。要获得最大动态范围,主要调整各运放的输出电平。如果在输入信号作用下,开关电容滤波器中各运放的最大输出电平保持一致,这时候其动态范围最大。运放输出电压的调整过程通常称为尺度变换处理。在尺度变换过程中,开关电容滤波器的传递特性应保持不变。现以图5.3-13开关电容电路(为简单起见,省去了开关)为例进行说明。该围的传递函数为

image.png

假定输出电压V2很小,我们对V1进行调整,但V1调整应不影响其他运放的输出电压值。若V1→xV1,则对运放1输出端的电客C11C2必须进行尺度变换,即image.pngimage.png

,这时总的电压增益仍满足(5.3-39)式,即

image.png

若还需对V2电压进行调整,假定调整量为y,即V2→yV2,那么,对运放2输出端的电容进行尺度变换,即有(C2,G1C3)→image.png,经这样变换后,对运放1和运放2的输出电压均没有影响。

经上述调整后,各运放的最大输出电压保持一致,即有xV1=yV2=V3,这样,该电路的动态范围为最大。

image.png

综上所述,动态范围调整的尺度变换步骤如下:

1、对于所有内部运放的输出电压,计算其最大值VP,通常各VP值由开关电容网络分析程序进行模拟计算。

2、将连接(成经开关连接)到第 i 级运放输出端的所有电容倍乘image.png,此处image.png是第 i 级运放的最大输出电压。电容经这样变换后,第 i 级运放的输出电压由image.png变到image.png

3、对所有内部运放重复步骤2。

为获得最大动态范围,各运放的最大输出电压应相同。

完成动态范围最佳化的尺度变换后,再进行电容最小化的尺度变换。其方法是,将开关电容滤波器中的电容分成若干组,它以运放积分电容和输入端电容为一组,在一组电容中,取最小电容为1单位电容,其他电容则除以最小电容进行尺度变换,现仍以图6.3-13为例进行说明,由图将电容分成三组,即

{D1C1C1},{F1C2C2},{G1C3C3

每一组中找出最小电容,然后进行尺度变换。设

D1C1=0.2皮法C1=1皮法

F1C2=1.2皮法C2=0.6皮法

G1C3=0.25皮法C3=0.8皮法

经尺度变换后,

D1C1=1单位电容C1=5单位电容

F1C2=2单位电容C2=1单位电容

G1C2=1单位电容C3=3.2单位电容

显然,电容最小化的尺度变换不影响运放输出电压值,因此,电容最小化的尺度交换不会破坏动态范围最佳化的尺度变换。若将这两种尺度变换的顺序颠倒过来,则动态范围最佳化的尺度变换将破坏最小电容特性,因此,先进行动态范围最佳化尺度变换,然后再进行电容最小化的尺度变换。

开关电容滤波器经上述尺度变换后,各电容值就确定下来,电路设计即告完成,然后进行版图设计。

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