开关电流滤波器简介

1、6.9 开关电流滤波器简介开关电流滤波器简介从无源滤波器到开关电流滤波器从无源滤波器到开关电流滤波器无源无源RLC滤波器：滤波器： 电感在体积、重量和线性等方面存在的电感在体积、重量和线性等方面存在的问题，限制使用范围和进一步的发展问题，限制使用范围和进一步的发展有源有源RC滤波器：滤波器： 用有源器件取代用有源器件取代RLC滤波器中的电感滤波器中的电感缺点：缺点： 不便于用不便于用MOS工艺直接集成。工艺直接集成。 体积较大，需占用较大的芯片面积。体积较大，需占用较大的芯片面积。 元件的精度不高。元件的精度不高。从无源滤波器到开关电流滤波器从无源滤波器到开关电流滤波器开关电容滤波器：开关电容

2、滤波器： 在在MOS电路中用开关和电容取代电阻电路中用开关和电容取代电阻 不仅克服了有源不仅克服了有源RC滤波器不便直接集成滤波器不便直接集成的主要缺点，同时还具有的主要缺点，同时还具有MOS电路的许多电路的许多优点。优点。主要缺点：主要缺点：一、需要线性电容，标准的数字一、需要线性电容，标准的数字CMOS工艺很工艺很难实现，增加成本。难实现，增加成本。二、属于电压模式电路，当电源电压降低时，二、属于电压模式电路，当电源电压降低时，输出信号的动态范围会减小。输出信号的动态范围会减小。从无源滤波器到开关电流滤波器从无源滤波器到开关电流滤波器开关电流滤波器：开关电流滤波器： 依靠依靠MOS管自身的

3、电容而不是外部电容实现管自身的电容而不是外部电容实现信号的存储，通过开关和电流镜而不是电容对输信号的存储，通过开关和电流镜而不是电容对输入信号进行处理和运算，并以电流而不是电压的入信号进行处理和运算，并以电流而不是电压的形式将信号输出。形式将信号输出。 除了具有开关电容网络的优点外，最大优点除了具有开关电容网络的优点外，最大优点就是可以用标准的数字就是可以用标准的数字CMOS工艺而不是工艺而不是MOS工工艺进行生产，而且同样功能的开关电流电路所需艺进行生产，而且同样功能的开关电流电路所需的芯片面积比开关电容电路更小，成本更低。的芯片面积比开关电容电路更小，成本更低。四个优点（与开关电容技术相比

4、）：四个优点（与开关电容技术相比）：一、不需要线性电容。一、不需要线性电容。利用利用MOS场效应管的栅源之间的非线性电容存储场效应管的栅源之间的非线性电容存储信息，就能够完成精确的模拟采样数据信号的处理功能。信息，就能够完成精确的模拟采样数据信号的处理功能。从无源滤波器到开关电流滤波器从无源滤波器到开关电流滤波器二、电路简单，功耗低，速度快。开关电流技术不需要二、电路简单，功耗低，速度快。开关电流技术不需要MOS运算放大器，主要采用电流镜来处理信号，因而电运算放大器，主要采用电流镜来处理信号，因而电路比较简单。在开关电流电路中使用的电容器的容量一路比较简单。在开关电流电路中使用的电容器的容量一

5、般很小，运算速度很快，工作频率高。般很小，运算速度很快，工作频率高。三、动态范围宽，受电源电压的影响小。开关电三、动态范围宽，受电源电压的影响小。开关电流电路属于电流模式的电路，和电压模式的电路流电路属于电流模式的电路，和电压模式的电路相比，其动态范围很宽，工作频率高，受电源电相比，其动态范围很宽，工作频率高，受电源电压的影响小。压的影响小。四、容易设计实现。开关电容电路的许多设计四、容易设计实现。开关电容电路的许多设计方法和设计技术都可以直接应用到开关电流电路方法和设计技术都可以直接应用到开关电流电路的设计中来。的设计中来。存储电路存储电路延迟电路延迟电路积分器电路积分器电路开关电流滤波器的

6、基本单元电路开关电流滤波器的基本单元电路6.9.1 开关电流存储电路开关电流存储电路6.9.1 开关电流存储电路开关电流存储电路 将信息以电荷的形式存储在将信息以电荷的形式存储在MOS场效应管的场效应管的栅源之间的非线性电容中。栅源之间的非线性电容中。 Iin IoutIB M1M2 Cgs1 Cgs2 S1（)IB开关电流存储电路开关电流存储电路 左图中的基本电路左图中的基本电路是一个电流镜，所不是一个电流镜，所不同的是在电流镜的场同的是在电流镜的场效应管效应管M1和和M2的两的两个栅极之间多了一个个栅极之间多了一个作为开关的场效应管作为开关的场效应管S1。S1的尺寸要比的尺寸要比M1和和M

7、2小得多。小得多。MOS管结构与几何参数管结构与几何参数沟道长度沟道长度L：其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；制造工艺中所给的特征尺寸；沟道宽度沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。 MOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。 NMOS管饱和导通时的萨氏方程为：管饱和导通时的萨氏方程为：L：指沟道的有效长度：指沟道的有效长度W/L称为宽长比称为宽长比ID的值取决于工艺参数：的值取决于工艺参数：n、Cox、器件尺

8、寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。 thGSoxnDVVLWCI21工作过程：工作过程： 当开关管当开关管S1截止时，输入电流截止时，输入电流Iin和偏置电流和偏置电流IB使使M1管的栅极电容管的栅极电容Cgs1充电至充电至M1管的栅源电压管的栅源电压Vgs1。 当开关管当开关管S1导通时，导通时，M1和和M2的栅极接通，电路的栅极接通，电路变成了一个电流镜。存储在两个管子栅极电容变成了一个电流镜。存储在两个管子栅极电容Cgs1和和Cgs2中的电荷按照管子的栅极电容的大小重新被分配。中的电荷按照管子的栅极电容的大小重新被分配。由于管子的栅极电容的大小与管子的宽长比成正比，由于管子的栅极电

9、容的大小与管子的宽长比成正比，于是将电流于是将电流(Iin+IB)按照管子的宽长比进行分配。设按照管子的宽长比进行分配。设场效应管场效应管M1和和M2的宽长比分别为（的宽长比分别为（W1/L1）=A1和和（W2/L2）=A2。则流入。则流入M2的漏极电流为的漏极电流为 (Iin+IB)A2/A1，存储单元的输出电流为：存储单元的输出电流为：ininBBoutIAAIIIAAI1212)( 当当M1和和M2的相等时的相等时: Iout=Iin。 当开关管当开关管S1截止时，场效应管截止时，场效应管M1和和M2断开，存储断开，存储在在M2管栅极电容管栅极电容Cgs2中的电荷保持不变。因此，同样中的

10、电荷保持不变。因此，同样的漏极电流流入的漏极电流流入M2，使，使Iout在在S1截止期间保持为常数。截止期间保持为常数。上述过程是利用上述过程是利用MOS场效应管的栅源之间的非线场效应管的栅源之间的非线性寄生电容完成的。在这个过程中，场效应管栅源性寄生电容完成的。在这个过程中，场效应管栅源之间的电容仅仅起到了一个存储电荷的作用，并不之间的电容仅仅起到了一个存储电荷的作用，并不需要将电荷进行线性分配。因此，这样的电容可以需要将电荷进行线性分配。因此，这样的电容可以是非线性的。是非线性的。 存储单元的输入电流和输出电流之间的运算关存储单元的输入电流和输出电流之间的运算关系为：系为：)()21(12

11、nIAAnIinout 对上式进行对上式进行z变换可以得到存储单元的转移函数变换可以得到存储单元的转移函数为：为：2112)()()(zAAzIzIzHinout 由上式可以看出，上图所示的开关电流存储电由上式可以看出，上图所示的开关电流存储电路除了实现一般电流镜的反相和放大作用外，还路除了实现一般电流镜的反相和放大作用外，还具有延时半个时钟周期的作用。具有延时半个时钟周期的作用。 开关电流存储电路的输出电流和输入电流有半个开关电流存储电路的输出电流和输入电流有半个周期的延时。如果将两个这样的单元电路级联以周期的延时。如果将两个这样的单元电路级联以后，可以得到一个周期的延时，如下图所示。这后，

12、可以得到一个周期的延时，如下图所示。这种电路称为种电路称为开关电流延时单元电路开关电流延时单元电路。 Iin M1M2 S1（1) Iout M3M4 S2（2) IB IB IB IB开关电流延时单元电路开关电流延时单元电路 电路的工作过程如下：电路的工作过程如下： 电流电流Iin从第一个场效应管从第一个场效应管M1输入，从最后一个输入，从最后一个场效应管场效应管M4输出。电流增益由管子沟道的宽长比输出。电流增益由管子沟道的宽长比决定。如果设决定。如果设M1、M2和和M3的宽长比均为的宽长比均为A， M4的宽长比为的宽长比为A4，则电路的输入电流和输出电流的，则电路的输入电流和输出电流的关系

13、为：关系为： ) 1()(4nIAAnIinout电路的电路的z域转移函数为：域转移函数为：14)()()(zAAzIzIzHinout5105100 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1/st/AoutI用用PSPICE软件对输入电流和输出电流进行仿真软件对输入电流和输出电流进行仿真虚线：输入电流虚线：输入电流Iin实线：输出电流实线：输出电流Iout由图可见，输出电流和输入电流大小相等，输出电流的相位比输入由图可见，输出电流和输入电流大小相等，输出电流的相位比输入电流延迟了一个周期（

14、电流延迟了一个周期（2ms）6.9.2 开关电流积分器开关电流积分器6.9.2 开关电流积分器开关电流积分器开关电流同相积分器开关电流同相积分器开关电流反相积分器。开关电流反相积分器。11z)(LWAon)(1LWAo)(LW)(LW)(LW)(LWIinIonIinAo1AiAon M1M2S1（1)Io1 M3 Mo1S2（2)Mon M4IB IB IB IBAo1IBAonIB J Io1 Io2 Ion 开关电流多输出端同相积分器开关电流多输出端同相积分器 (a) (b)1、2 ：互不重叠的两相脉冲。互不重叠的两相脉冲。M1M4 ：一个单位增益的延迟单元。它的作用是对输入一个单位增益

15、的延迟单元。它的作用是对输入电流进行复制并将它延迟一个时钟周期。被延迟的输入电流进行复制并将它延迟一个时钟周期。被延迟的输入电流又通过反馈回路反馈到输入电流的相加节点电流又通过反馈回路反馈到输入电流的相加节点J。Mo1Mon ：构成该积分器的多个输出端。各输出端的输构成该积分器的多个输出端。各输出端的输出电流与各自的宽长比出电流与各自的宽长比Ao1Aon有关。有关。 1 开关电流同相积分器开关电流同相积分器 上图上图(a)的信号流图如上图的信号流图如上图(b)所示。由信号流图所示。由信号流图可得该电路的转移函数为：可得该电路的转移函数为：11)()()(11zAzIzIzHoino 由上式可见

16、，图示电路是一个开关电流同相积由上式可见，图示电路是一个开关电流同相积分器。由于它有多个输出端，因此称为开关电流分器。由于它有多个输出端，因此称为开关电流多输出端同相积分器。多输出端同相积分器。2 开关电流反相积分器开关电流反相积分器 如果将输入电流从场效应管如果将输入电流从场效应管M2和和M3的漏极输的漏极输入，则可以实现反相积分器。多输出端开关电流入，则可以实现反相积分器。多输出端开关电流反相积分器如下图反相积分器如下图(a)所示。该电路的信号流图如所示。该电路的信号流图如下图下图(b)所示。所示。1zz)(LWAon)(1LWAo)(LW)(LW)(LW)(LWIinIonIinAo1A

17、o2Aon M1 M2S1（1)Io1 M3 Mo1S2（2) Mon M4IB IB IB IBAo1IB AonIBJ Io1 Io2 Ion(b) (a) 开关电流多输出端反相积分器开关电流多输出端反相积分器 由信号流图可得该电路的转移函数为：由信号流图可得该电路的转移函数为：1)()()(11zzAzIzIzHoino 由上式可见，上图所示的电路是一个开关电由上式可见，上图所示的电路是一个开关电流多输出端反相积分器。流多输出端反相积分器。6.9.3 开关电流滤波器的分析与设计开关电流滤波器的分析与设计6.9.3 开关电流滤波器的分析与设计开关电流滤波器的分析与设计 开关电流积分器和相应

18、的开关电容积分器的开关电流积分器和相应的开关电容积分器的关系：关系： 1 1 Vo + C 2 1 2 1 Vi1 Vin Cn2 2 2 C1多输入开关电容积分器多输入开关电容积分器信号流图转置法信号流图转置法 图示电路的信号流图如下图图示电路的信号流图如下图(a)所示。如果将这所示。如果将这个信号流图中所有支路的方向反转而保持支路的个信号流图中所有支路的方向反转而保持支路的传输系数不变，将相加节点变成支路节点，所得传输系数不变，将相加节点变成支路节点，所得到的信号流图如下图到的信号流图如下图(b)所示。我们称这个信号流所示。我们称这个信号流图为图为原信号流图的转置原信号流图的转置。11z1

19、1zCCnCC2CC1CCnCC2CC1 Vi1 Vi2 Vin Vo Vi1 Vi2 Vin Vo (a) (b) 多输入开关电容积分器的信号流图及其转置多输入开关电容积分器的信号流图及其转置 由上图可以看出，转置信号流图的转移函数由上图可以看出，转置信号流图的转移函数Vi1/Vo、Vi2/VoVin/Vo分别与原信号流图的转移函分别与原信号流图的转移函数数Vo/Vi1、Vo/Vi2Vo/Vin是对应相同的。是对应相同的。 另外，在另外，在Ao1=C1/C、Ao2=C2/CAon=Cn/C的条的条件下多输入开关电容积分器的信号流图与开关电件下多输入开关电容积分器的信号流图与开关电流多输出端反

20、相积分器的信号流图是相等的。流多输出端反相积分器的信号流图是相等的。 于是，可得出以下结论：一个多输入端开关于是，可得出以下结论：一个多输入端开关电容同相积分器的信号流图与一个多输出端开关电容同相积分器的信号流图与一个多输出端开关电流同相积分器的信号流图相等；一个多输入端电流同相积分器的信号流图相等；一个多输入端开关电容反相积分器的信号流图与一个多输出端开关电容反相积分器的信号流图与一个多输出端开关电流反相积分器的信号流图相等。开关电流反相积分器的信号流图相等。 上述方法称为信号流图转置法。利用信号流图上述方法称为信号流图转置法。利用信号流图转置法就可以将一个开关电容滤波器转换成开关转置法就可以将一个开关电容滤波器转换成开关电流滤波器。电流滤波器。 例例6.8 三阶开关电容低通滤波器如下图所示。三阶开关电容低通滤波器如下图所示。用信号流图转置法设计一个相应的开关电流滤波用信号流图转置法设计一个相应的开关电流滤波器。电路中元件的数值为：器。电路中元件的数值为： Cin=1.5861 C1=2.7742 C2=3.3062 C3=2.7743 C11=1.0 C12=1.6301 C21=1.261 C23=1.0 C3