摘要：如何為開關電容濾波器(SCF)合理配置前置、后置濾波器，一直缺少系統(tǒng)的分析和說明。在研究SCF工作特性的基礎上，提出了SCF前置、后置濾波器的設計方法。SFC前置、后置濾波器的主要設計參數(shù)是轉角頻率和衰減量。設計時，先根據(jù)系統(tǒng)要求確定衰減量，再根據(jù)選定的濾波器結構的衰減系數(shù)確定轉角頻率。用此方法，結合12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要，以MAX295為核心設計了一個可程控低通濾波器。結果表明，MAX295的前、后置濾波器能以4檔轉角頻率覆蓋其10 Hz～50 kHz轉角頻率范圍，前、后置濾波器的最小衰減量分別為-74 dB和-10 dB。
關鍵詞：開關電容濾波器；前置濾波器；后置濾波器；抗混迭；重建；MAX295

開關電容濾波器是一種以電荷轉移原理為基礎的濾波元件，與傳統(tǒng)的模擬濾波器相比，它具有易于生產(chǎn)、便于使用等優(yōu)點，在各種測試系統(tǒng)中的應用日益廣泛。
另一方面，開關電容濾波器本身也是一種采樣系統(tǒng)，其輸入信號的最高頻率要受到采樣定理的限制，其輸出則是臺階狀的離散時間信號。通常都要求為開關電容濾波器配置適當?shù)那啊⒑笾脼V波器，以解決抗混迭和重建的問題，但對前、后置濾波器的設計準則和過程則缺少系統(tǒng)的分析和說明。
為此，筆者以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗混迭濾波為例，討論開關電容濾波器的特征和它的前、后濾波的問題。

1 開關電容濾波器的特征
圖1是一個開關電容濾波器的典型結構。在這個開關電容濾波器中，除了輸入、輸出端外，還有一個時鐘輸入端，為之提供頻率為fclk的采樣脈沖。這個時鐘頻率fclk與開關電容濾波器的中心頻率或轉角頻率fc存在一定的對應關系，即fclk=Nfc，一般N為100或50。這樣頻率為fin的模擬輸入信號，經(jīng)過開關電容濾波器的處理后，變成了離散的抽樣序列。

顯然，對開關電容濾波器自身而言，也存在一個抗混迭的問題，因此必須在開關電容濾波器之前對輸入信號進行前置濾波，以限制輸入信號的最高頻率。
開關電容濾波器的輸出是一連串的臺階，它不僅在時域上不連續(xù)，而且還在頻域上增添了新的高頻成分。因此，要通過適當?shù)暮笾脼V波，重建所需的波形。
值得指出的是，為了實際應用的方便，開關電容濾波器的前、后置濾波器應由模擬濾波器來承擔，以避免重復產(chǎn)生前面的問題。若非如此，則可能在應用中產(chǎn)生一些不必要的困擾。
考慮到上述因素，可將開關電容濾波器的一般應用模式歸結為圖2。下面對有關問題作進一步的討論。

1．1 前置濾波
1．1．1 設計指標
前置濾波的作用主要是限制開關電容濾波器輸入信號的最高頻率。理想狀態(tài)下，這種前置低通濾波器的設計參數(shù)只有一個，即低通濾波器的轉角頻率fpre。但是，在確定fpre之前，首先應該明確所需去除的頻率成分。
對一般的采樣系統(tǒng)，若其采樣頻率為fs，輸入信號頻率為fin，當fin≥1／2fs時，則會產(chǎn)生混迭，混迭后的頻率fs可用式(1)計算，其中N取大于0自然數(shù)。
fa=|Nfs-fin| (1)
開關電容濾波器產(chǎn)生混迭的情況和式(1)有所不同，并非所有高于1／2fclk的輸入頻率所產(chǎn)生的混迭都能形成有效的輸出。當混迭后的頻率位于開關電容濾波器的通帶之外時，便為開關電容濾波器所衰減，其影響可以忽略不計。因此，在設計開關電容濾波器的前置濾波器時，只需考慮混迭后會落入開關電容濾波器通帶之內(nèi)的那些頻率成分。
為簡化討論，這里僅考慮時鐘基頻以內(nèi)的情形。以一個fclk=Nfc的低通開關電容濾波器為例，通過簡單的分析不難得知：在理想狀態(tài)下，只有那些高于fST=(N-1)fc的輸入頻率所產(chǎn)生的混迭才會落在開關電容濾波器的通帶之內(nèi)形成有效輸出(如圖3所示)。這時，只需用前置濾波器來濾除輸入信號中所有高于起始頻率fst的成分即可。

考慮到實際開關電容濾波器有限的衰減系數(shù)，起始頻率fST可按下式選?。?br /> fST=(N-D)fc (2)
其中，D為反映開關電容濾波器衰減特性的系數(shù)，一般取2～4。
這樣，在理想狀態(tài)下，前置濾波器轉角頻率fpre只要滿足以下條件即可：
fcfprefST (3)
其中，fc為開關電容濾波器設定的轉角頻率，fST為開關電容濾波器產(chǎn)生混迭輸出的起始頻率。物理意義上，上式的前一部分保證不對有用信號造成損失，后一部分則阻止任何可能產(chǎn)生混迭的成分通過。
對于實際濾波器，由于衰減系數(shù)有限，因此在設計實際的前置低通濾波器時，需要考慮2個指標：轉角頻率fpre和衰減量A。前者確定被阻止信號的頻率范圍，后者確定對這些頻率成分的衰減程度。
實際設計時，先定衰減量A，再定轉角頻率fpre。