开关电容积分器与 SC 滤波器

概述

EE247 Lecture 9-10 详细介绍了开关电容(Switched-Capacitor, SC)滤波器。SC 技术用开关和电容替代电阻,实现精确的时间常数控制(精度决定于时钟频率和电容比,而非 RC 绝对值),是现代混合信号 IC 中离散时间滤波器的主流实现方式。


SC 电阻等效原理

  • 基本思想:开关电容以 f_s 频率在两个节点间转移电荷 → 等效电阻
  • 例:C_s = 1pF, f_s = 10MHz → R_eq = 100kΩ
  • 等效时间常数的精度 = 电容比的精度 × 时钟精度(晶体振荡器 → ppm 级)

SC 积分器基本结构

两相非交叠时钟

  • φ1:采样相(Cs 充电到 V_in)
  • φ2:积分相(Cs 电荷转移到 CI)
  • 传递函数:

DDI(Direct Discrete Integrator)积分器

  • 传递函数:
  • z→s 映射(双线性变换):
  • 幅频响应:

DDI 幅相误差(与理想连续时间积分器对比)

  • f/f_s = 1/12 → 幅度误差 0.1dB, 相位误差 15°, Q_int = -3.8
  • f/f_s = 1/32 → 幅度误差 0.014dB, 相位误差 5.6°, Q_int = -10.2
  • 主要问题:相位误差。SC 积分器的 Q 取决于 f/f_s,限制了最大可用信号频率

其他 SC 积分器类型

  • 无延迟积分器(Lossless Discrete Integrator)
  • 前向欧拉(Forward Euler)
  • 反向欧拉(Backward Euler)
  • 双线性变换积分器(Bilinear Integrator)

寄生不敏感 SC 积分器

结构要点:

  • 底极板采样(Bottom-Plate Sampling):采样开关连接到底极板(远离运放输入端)
  • 所有寄生电容耦合到地或低阻抗节点 → 不影响电荷转移
  • 全差分结构进一步抑制共模噪声

设计考量:

  • 最小电容尺寸受 kT/C 噪声限制(噪声与匹配)
  • 运放要求:建立时间 << T_s/2、增益 > 80dB(高精度)
  • 开关尺寸:权衡导通电阻 R_on 与电荷注入/时钟馈通

SC 滤波器设计流程

  1. 连续时间原型:根据规格确定滤波器类型(Butterworth/Chebyshev/Elliptic)和阶数
  2. s→z 变换:双线性变换(预畸变补偿频率偏移)或脉冲不变变换
  3. SC 实现:将 z 域传递函数映射到 SC 积分器网络
  4. 电容缩放:按 kT/C 噪声要求确定最小电容
  5. 动态范围缩放:优化各积分器输出摆幅

SC 滤波器噪声

  • kT/C 噪声:每个开关在 φ1 相采样时在 C_s 上产生 kT/C_s 噪声
  • 噪声折叠:SC 电路是采样系统 → 宽带噪声折叠到基带
  • 总输出噪声:(α 取决于滤波器拓扑和阶数)

SC vs Gm-C vs Opamp-RC

特性SC 滤波器Gm-C 滤波器Opamp-RC 滤波器
调谐需求无需(时钟精度)需要(Gm/C 绝对值)需要(R/C 绝对值)
频率范围中低频(<数十MHz)高频(>10MHz)中频(<100MHz)
噪声kT/C 主导Gm 噪声主导运放噪声 + kT/C
设计复杂度高(时钟/开关)中(Gm 单元线性度)低
对工艺变化敏感度低(电容比)高(绝对值)高(绝对值)

双向链接


📘 Allen 3e 补充(Appendix E 开关电容电路系统覆盖)

Allen 3e 的附录 E 将 SC 电路从第 9 章(2e)移至附录并完整保留,覆盖了 EE247 未详细讨论的一些 SC CMFB 和低电压 SC 技术。

SC 电阻模拟(App.E.1):

  • ,精度取决于 (晶振 ppm 级)和电容比(0.1-1%)
  • 与 EE247 内容互补:EE247 强调 SC 积分器传递函数的 z 域推导,Allen 更关注非理想效应对 的影响

寄生不敏感 SC 积分器(App.E.2):

  • Allen 给出 完整的寄生电容分析:所有寄生节点被连接至地或低阻抗节点 → 不影响电荷转移
  • 反相/同相积分器的完整 z 域传递函数对比

SC CMFB(App.E.4 — Allen 独特贡献):

  • 开关电容共模反馈的原理:无静态功耗,仅开关切换时消耗动态功耗
  • 时钟频率需 信号带宽以最小化 CMFB 输出纹波
  • 适用于低功耗全差分 SC 系统

低电压 SC 技术(App.E.5 — Allen 3e 独特内容):

  • 自举开关(Bootstrap Switch): 恒定与输入电压无关 → 线性度大幅提升
  • 时钟倍增:用片上电荷泵产生高于 的栅控电压
  • 这些技术在 工艺中尤为关键

SC 滤波器设计实例(App.E.3):

  • 一阶 SC 滤波器 → 双二阶节(Biguad)→ 高阶 SC 滤波器级联
  • 包含完整的电容值设计过程(基于 z 域传递函数匹配)

📘 Baker 3e 补充(Ch.25 SC 积分器的精确频率响应分析与开关设计)

Baker 对 SC 电路的独特贡献在于SC 积分器的精确频率响应分析(包含 效应)和开关设计的工程细节。

1. SC 积分器精确频率响应(Ch.25)—— Baker 的独特贡献

与 EE247 和 Allen 侧重 z 域传递函数推导不同,Baker 给出了包含采样频率效应的精确幅频响应:

  • 幅度误差源: 与 之比在 较大时不可忽略
  • 相位误差源:SC 积分器的固有相位延迟(约半个采样周期)
  • 工程指导:为保证 < 0.1dB 幅度精度,信号频率应 <

2. 寄生不敏感积分器的开关尺寸设计

Baker 给出开关尺寸的工程选择指导:

  • 权衡三角形:导通电阻 ↔ 电荷注入 ↔ 时钟馈通
  • 最小开关尺寸: 需满足 (保证建立时间)
  • 最大开关尺寸:受电荷注入和时钟馈通的精度约束

3. SC 电路的噪声建模(Ch.25)

Baker 提供了 SC 电路的噪声仿真方法:

  • 采样噪声(kT/C):,在 SC 积分器中折合到输出
  • 运放噪声: 噪声和热噪声通过 SC 网络传输
  • 噪声折叠:宽带噪声被采样操作折叠到基带——Baker 给出了定量分析方法

Baker 的 SC 覆盖 vs 其他教材:EE247 强调 SC 积分器的 z 域传递函数、幅相误差和滤波器设计;Allen App.E 覆盖 SC CMFB、低电压 SC 技术(自举开关/时钟倍增)。Baker 的独特价值在于 SC 积分器精确频率响应(含 效应)和开关尺寸的工程选择指导。

关联页:Baker CMOS 电路设计版图与仿真 深度解析 §25


📗 Sansen 补充(Ch.17 Switched-Capacitor Filters——从 SC 电阻模拟到开关电流滤波器)

Sansen Ch.17 对 SC 滤波器的覆盖与 EE247 和 Allen App.E 互补,强调从基本原理到高阶滤波器的完整链路,并包含其他教材不涉及的开关电流滤波器。

1. SC 积分器的精确传递函数

Sansen 推导了 SC 积分器的精确 z 域传递函数(包含运放有限增益和带宽的影响):

寄生不敏感积分器(Stray-Insensitive Integrator)是实际 SC 滤波器中最常用的构建块,消除了节点寄生电容的影响。

2. SC 滤波器综合方法

Sansen 覆盖两种 SC 滤波器设计方法:

方法原理优点缺点
LC 梯形仿真法用 SC 积分器模拟无源 LC 梯形低灵敏度、大动态范围设计复杂
双二阶节级联法一阶和二阶 SC 节级联设计简单灵敏度较高

3. 运放的非理想性对 SC 电路的影响——定量分析

Sansen 定量分析运放有限参数对 SC 精度的影响,并给出了可直接用于设计的定量规则。

3.1 有限增益 的效应

运放有限增益导致 SC 积分器的电荷转移不完全:

其中 是运放输入电容。对于典型 SC 积分器(),误差约 。为达到 12-bit 精度(),需 dB。

有限增益对 SC 滤波器传递函数的影响表现为 z 域极点偏移:

其中 导致积分器泄漏(本应位于 z=1 的极点向内移动),在低频产生增益误差和相位误差。

3.2 有限 GBW 的效应——建立时间分析

SC 电路的工作速度受限于运放建立时间。在半个时钟周期 内,运放必须完成电荷转移并使输出电压稳定到所需精度。

运放的单极点建立时间常数:

对于 SC 积分器,闭环时间常数含有 、 和运放 的贡献:

简化后,达到 N-bit 精度所需的建立时间:

Sansen 给出的 OTA 设计定量规则:

当 时:,在 内可建立的等效时间常数个数为 ,即约 4 个 ,对应 8-bit 精度()。对更高精度需 。

有限 还会引起 SC 滤波器的 Q 增强效应:运放的有限带宽使积分器的相移偏离 -90°,在滤波器谐振频率处产生额外的 Q 值误差。

3.3 有限转换速率 SR 的效应

当输入阶跃较大时,运放进入摆率限制模式,大信号建立由 SR 而非 GBW 决定:

Sansen 给出的 SR 设计要求:

该条件保证在阶跃响应中,线性建立区占主导而非摆率限制区。对于 SC 积分器, 取积分器输出最大摆幅:

3.4 运放设计参数综合

非理想性定量影响Sansen 设计规则
有限增益 电荷转移误差 dB(12-bit)
有限 建立时间 (中精度),(高精度)
有限 大信号建立时间 或
输入噪声 + 运放热噪声按 SNR 要求设计
开关 时间常数

设计流程:给定 和精度 N-bit → 确定 → 确定 (kT/C 噪声)→ 确定 → 确定尾电流 。

4. 开关电流滤波器(Switched-Current Filters)——Sansen 独有

Sansen 在 Ch.17 末尾覆盖开关电流(SI)滤波器技术:

  • 原理:用电流镜替代运放 + SC 网络,利用电流镜像存储电荷
  • 优点:无需运放 → 更低功耗,纯 CMOS 工艺兼容
  • 缺点:精度受沟道长度调制和时钟馈通影响
  • 适用:低电压、低功耗应用

Sansen vs EE247/Allen/Baker:EE247 提供 SC 积分器 z 域分析和二阶滤波器设计;Allen App.E 覆盖 SC CMFB 和低电压 SC 技术;Baker §25 覆盖 SC 精确频响和开关设计。Sansen Ch.17 的开关电流滤波器是其他经典教材均未覆盖的内容。

关联页:Sansen 模拟集成电路设计精粹 深度解析 §17


📘 Martin 补充(Ch.14 Switched-Capacitor Circuits——寄生不敏感积分器与SC增益电路)

Martin Ch.14 对 SC 电路的覆盖与 EE247、Allen、Baker、Sansen 互补,其独特价值在于寄生不敏感积分器的系统分析(包含完整寄生分析)和SC 增益电路(其他教材较少覆盖)。

1. 寄生不敏感积分器的高阶分析

Martin 对 SC 积分器的分析比其他教材更完整:

  • 完整寄生模型:包含底极板寄生 、开关寄生、运放输入寄生
  • 有限运放增益效应:——增益误差分析
  • 有限运放带宽效应: 处的建立时间定量分析

2. 相关双采样(CDS)技术

Martin 详细分析了 CDS 技术——这是其他教材覆盖较浅的内容:

  • 原理:采样相存储失调/噪声 → 积分相相减消除
  • 1/f 噪声抑制:CDS 可将 噪声转折频率降低 1-2 个数量级
  • 应用:高精度 SC 积分器、SC 比较器前置失调消除

3. SC 增益电路

Martin 独特的 SC 增益电路覆盖:

  • SC 增益级:,精度仅取决于电容比
  • 可编程增益:通过开关切换不同电容比实现
  • 差分 SC 增益级:全差分结构的共模抑制特性

4. Ch.14 与其他教材对比

维度Martin Ch.14EE247AllenBakerSansen
寄生不敏感积分器完整寄生模型z 域传递函数定性地开关尺寸精度分析
CDS 技术详细分析————
SC 增益电路独特覆盖————
高阶滤波器设计实例设计流程设计流程—综合方法

Martin 的独特价值:Ch.14 对 CDS 技术和 SC 增益电路的覆盖是其他经典教材(EE247/Allen/Baker/Sansen)均未详细涉及的内容。其寄生不敏感积分器的完整寄生分析也为实际设计提供了比 EE247 z 域分析更全面的工程视角。

关联页:Martin Analog Integrated Circuit Design 深度解析 §14