詳解開關電容濾器的最大動態范圍和最小電容面積

開關電容濾波器初步設計之后，要對其電容比進行修正，即所調對電容比進行尺度變換，以獲得最大動態范圍和最小的電容面積。開關電容濾波器的動態范圍定義為20 log（，此處是開關電容濾波器的輸出端在沒有明顯失真條件下，其最大輸入信號幅度，它主要受運放飽和工作狀態的限制；是能夠從輸出噪聲中識別出開關電容濾波器輸出電壓的最小輸入信號幅度，它主要受運放和開關噪聲以及開關饋通信號大小的限制。一般情況下，開關電容濾波器的最大動態范圍約80~90分貝。動態范圍越大，開關電容濾波器處理小信號的能力越強。

下面來討論開關電容濾波器怎樣獲得最大動態范圍和最小的電容面積。要獲得最大動態范圍，主要調整各運放的輸出電平。如果在輸入信號作用下，開關電容濾波器中各運放的最大輸出電平保持一致，這時候其動態范圍最大。運放輸出電壓的調整過程通常稱為尺度變換處理。在尺度變換過程中，開關電容濾波器的傳遞特性應保持不變?，F以圖5.3-13開關電容電路（為簡單起見，省去了開關）為例進行說明。該圍的傳遞函數為

假定輸出電壓V2很小，我們對V1進行調整，但V1調整應不影響其他運放的輸出電壓值。若V1→xV1，則對運放1輸出端的電客C1和1C2必須進行尺度變換，即

，這時總的電壓增益仍滿足（5.3-39）式，即

若還需對V2電壓進行調整，假定調整量為y，即V2→yV2，那么，對運放2輸出端的電容進行尺度變換，即有（C2，G1C3）→，經這樣變換后，對運放1和運放2的輸出電壓均沒有影響。

經上述調整后，各運放的最大輸出電壓保持一致，即有xV1=yV2=V3，這樣，該電路的動態范圍為最大。

綜上所述，動態范圍調整的尺度變換步驟如下：

1、對于所有內部運放的輸出電壓，計算其最大值VP，通常各VP值由開關電容網絡分析程序進行模擬計算。

2、將連接（成經開關連接）到第 i 級運放輸出端的所有電容倍乘，此處是第 i 級運放的最大輸出電壓。電容經這樣變換后，第 i 級運放的輸出電壓由變到。

3、對所有內部運放重復步驟2。

為獲得最大動態范圍，各運放的最大輸出電壓應相同。

完成動態范圍最佳化的尺度變換后，再進行電容最小化的尺度變換。其方法是，將開關電容濾波器中的電容分成若干組，它以運放積分電容和輸入端電容為一組，在一組電容中，取最小電容為1單位電容，其他電容則除以最小電容進行尺度變換，現仍以圖6.3-13為例進行說明，由圖將電容分成三組，即

{D1C1C1｝，｛F1C2C2｝，｛G1C3C3｝

每一組中找出最小電容，然后進行尺度變換。設

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

經尺度變換后，

D1C1=1單位電容，C1=5單位電容

F1C2=2單位電容，C2=1單位電容

G1C2=1單位電容，C3=3.2單位電容

顯然，電容最小化的尺度變換不影響運放輸出電壓值，因此，電容最小化的尺度交換不會破壞動態范圍最佳化的尺度變換。若將這兩種尺度變換的順序顛倒過來，則動態范圍最佳化的尺度變換將破壞最小電容特性，因此，先進行動態范圍最佳化尺度變換，然后再進行電容最小化的尺度變換。

開關電容濾波器經上述尺度變換后，各電容值就確定下來，電路設計即告完成，然后進行版圖設計。

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