浅谈开关电容滤波器的故事

由Intersil首席设计工程师Philip Golden撰写的文章

1970年代末期，开关电容器滤波器对集成滤波器设计的影响确实具有革命性，至今仍被认为是IC史上最重要的发明之一［1］。突然之间，以非常紧凑的方式就可以实现低频信号处理所需的痛苦的大时间常数，此外，还可以通过时钟频率轻松地对其进行编程。此外，电阻器的直接仿真使开关电容滤波器设计人员能够利用有源RC滤波器已经使用的大量设计技术。

这是新技术的最关键属性，因为它使开关电容器设计活动的确爆发了，在70年代末和80年代初。但是，也许这项新技术最令人印象深刻的功能是，这是它在主导模拟设计的CMOS技术中的魅力所在。现在，时间常数可能取决于电容性匹配-仍然是CMOS工艺中所有模拟组件中受最严格控制的匹配参数。

这也不只是在标称条件下成立，这些时间常数在过程，温度和电压转角上都是可预测的，这是有源RC滤波器设计者的祸害。开关，电容匹配和数字时钟的使用使开关电容器电路不再像一个新主意，而更像是命运。这些时间常数在整个过程，温度和电压拐角处都是可预测的，这是有源RC滤波器设计人员的祸害。

开关，电容匹配和数字时钟的使用使开关电容器电路不再像一个新主意，而更像是命运。这些时间常数在整个过程，温度和电压拐角处都是可预测的，这是有源RC滤波器设计人员的祸害。开关，电容匹配和数字时钟的使用使开关电容器电路不再像一个新主意，而更像是命运。

开关帽如何提高过滤精度。

当然，开关电容滤波器具有一些棘手的方面。切换会引起信号和任何可能干扰的东西（包括噪声）的混叠。由于有限的时钟速度，对连续时间滤波器的近似具有不准确性，并且有各种各样的开关非理想性需要解决。另外，对这些过滤器的仿真需要额外的开销，因此开发了新的自定义仿真器［5］。但是，从1978年之后的十年间开关电容器滤波器的出版物数量之多可以明显看出，这些问题并没有证明太麻烦。开关电容器滤波器与模拟电路领域一样性感。

在这种情况下，开关电容器技术背后的核心思想是在这种出版物出现之前的一个世纪才发明的，并在有史以来最著名的科学著作之一中发表，这似乎有些奇怪。因此，可以合理地假设至少有人读过它。

因此，开关电容器的历史是对创新是创造力和价值的结合这一总原则可想而知的最好的例证之一。换句话说，要真正引起轰动，您不仅需要有一个好主意，还需要有想要使用它的人［2］。

1873年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clark Maxwell）发表了一个想法，他解释说他想测量电容器或“电容器”的值，因为电容器能够存储比普通电容器更高的电荷密度，因此经常被称为电容器导体。在“电磁学论着，第2卷”第374-375页中，［3］麦克斯韦（Maxwell）描述了将要测量的电容器连接到电路中以对其充电。

然后，他使用换向开关迅速反转电容器连接的极性。随后，他证明如果以频率f重复此操作，则平均电流将等于值1 /（fC）的电阻器的平均电流。

他利用自己可以测量电阻（使用上述任何一种方法）来替代电阻器，进行测量的事实，从而计算出电容器的电容。那么，这是有史以来最著名的技术量之一，是开关电容器的核心思想（即，通过开关电容器来模拟连续时间电阻器的平均电阻）。

它以黑白（实际上是黑色和棕褐色）布局，具有清晰易懂的描述和简单的公式以更好地说明原理。那么，为什么要花上几乎一百年的时间才能使这个想法流行起来呢？带有清晰易懂的描述和简单的方程式，以更好地说明原理。那么，为什么要花几乎一百年的时间才能使这个想法流行起来呢？带有清晰易懂的描述和简单的方程式，以更好地说明原理。那么，为什么要花上几乎一百年的时间才能使这个想法流行起来呢？

当然，简单的原因是，没有多少人对确定冷凝器的值感兴趣，这是麦克斯韦（Maxwell）规定的技术价值。认为它不是一个创意可能是一个错误。这个问题更有可能是因为人们没有紧迫的需求或使用它而根本没有考虑它。快进到1970年代，这是根本的改变，因为突然之间世界都在呼吁使用这项技术。

顺便说一下，在这一点上，它被有效地重新发明了，在1972年Fried的开创性的“模拟采样数据滤波器” IEEE固态电路杂志上发表的论文中被描述为“相当有趣且以前未被认识”的概念［4］。

那么，这个故事可以告诉我们如何创新？在这里，我们有史以来最著名的科学家之一，在有史以来最著名的科学著作之一中写作，描述了将成为模拟电路历史上最革命的思想之一的人，没有人注意到。这提醒我们，与潜在客户隔离的设计师可能很难生产出真正能增加价值的创新产品。

即使他们真的很聪明并且他们的想法很好，这仍然成立。这反过来说明了为什么许多半导体公司面临的主要挑战之一是将对基础市场需求的深刻理解与内部技术能力联系在一起。通常都不容易评估。