深入一块1980年代采用开关电容技术的滤波器芯片内部

# 拆解一颗1980年代使用开关电容的滤波芯片 来源：http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html 有时候用显微镜来识别IC反而更方便。在整理一盒旧芯片时，CuriousMarc发现了几颗Harris生产的、标记为"F1-10-5"的芯片——这是一个神秘的型号，在任何数据手册中都找不到。由于无法识别的芯片毫无用处，他给了我一颗来分析。幸运的是，它采用陶瓷封装，用凿子轻轻一敲就能打开。在显微镜下，芯片最引人注目的特征是一排排方形电容器阵列。看到这么多电容，我猜测它是一颗开关电容滤波器。芯片上还提供了另一个线索：型号HF-10。有了这些信息，我们很快就查到这颗芯片是Harris版本的标准MF10开关电容滤波器芯片。¹ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:part-number) Harris芯片，标记为F1-10-5（也许是FI-10-5），生产日期代码为1985年。照片由CuriousMarc提供。(https://static.righto.com/images/mf10/harris-chip.jpg) Harris芯片，标记为F1-10-5（也许是FI-10-5），生产日期代码为1985年。照片由CuriousMarc提供。 开关电容滤波器在1980年代是实现模拟滤波器的一种流行方式。通过快速地将电容接入或断开电路，可以构建单芯片滤波器，既易于使用又性能优良。MF10由National Semiconductor于1981年推出，在单颗芯片上提供两个灵活的滤波器；每个滤波器可以作为低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。滤波器的特性通过几个外部电阻就能轻松控制。 Harris HF-10芯片在显微镜下的照片，标注了主要功能模块。（点击可查看大图。）(https://static.righto.com/images/mf10/die-labeled.jpg) Harris HF-10芯片在显微镜下的照片，标注了主要功能模块。（点击可查看大图。） 既然芯片已经放在显微镜下，我就顺便对它进行了更深入的分析。白色线条是连接芯片电路的金属布线。在金属层下方是两层多晶硅（偏红色），以及底层的硅（灰色）。芯片的上半部分和下半部分基本是镜像关系，对应芯片上的两个滤波器。芯片中间那些独特的红色方块是72个由多晶硅制成的微型电容器。在电容器上方，CMOS开关以时钟频率快速开关，将电容接入和断开电路。每个滤波器使用三个运算放大器（红色框出）。右侧是三个运算放大器的三个输出：高通、带通和低通。控制电路位于左侧：时钟电平移位、时钟整形、频率比处理、启动电路，以及为芯片其他部分提供恒定电流的电流源。在硅芯片的边缘，20根极细的键合线将芯片连接到20个外部引脚上。 芯片上还有一些有趣的"芯片艺术"：一个Harris标志和佛罗里达州的轮廓——Harris的总部位于佛罗里达州墨尔本市。芯片上的缩写字母应该是设计这颗芯片的工程师。 芯片上的一些有趣图案。(https://static.righto.com/images/mf10/chip-art.jpg) 芯片上的一些有趣图案。 ## 开关电容电路 该滤波器基于开关电容电路。开关电容可以在某些电路中替代电阻，如下图所示。开关由时钟信号控制；开关在时钟相位1和相位2（φ1和φ2）交替闭合。在相位1中，电容被充电至输入电压。在相位2中，电容将电荷传递给输出。通过快速切换开关，电荷可以（近似）稳定地传递到输出端。电容值越大，传递的电荷越多。同样，频率越高，传递的电荷也越多。可以证明，该电路等效于阻值为1/(fC)的电阻：电容越大、频率越高，等效电阻越小。 开关电容可以替代电阻。(https://static.righto.com/images/mf10/switched-capacitor.jpg) 开关电容可以替代电阻。 为什么用这么复杂的开关电路来替代一个简单的电阻呢？在集成电路中，电阻精度差且占用面积大，尤其是高阻值的电阻。用一个小电容替代一个大电阻可以节省芯片面积。此外，用廉价的石英晶体很容易产生极其精确的时钟频率，从而使滤波器的频率非常精确。最后，只需改变时钟频率就能改变等效电阻，使得滤波器的调谐或扫频变得非常容易。 芯片上的电容精度并不高，由于制造条件的差异，不同芯片之间的电容值通常有20%的变化。但这在MF10中并不是问题，因为电路设计依赖的是电容之间的*比值*，而比值是稳定的。具体来说，MF10使用了72个完全相同的方形电容，它们的电容值几乎完全一致。仔细观察可以发现，有些电容是独立的，而有些则以8个为一组连接在一起，形成更大的电容。² (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:squares)这使得组合电容与独立电容之间获得了高度精确的8:1比值，尽管绝对电容值会因芯片而异。每个电容器由两层多晶硅构成，³ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:polysilicon)分别作为电容的两个极板，中间夹着一层薄薄的绝缘氧化物作为介电层。我估计每个方形电容约为5皮法。 MF10中的电容器阵列。我添加了黄色线条来显示电容的分组方式。开关位于电容器的上方和下方。(https://static.righto.com/images/mf10/capacitor-grid.jpg) MF10中的电容器阵列。我添加了黄色线条来显示电容的分组方式。开关位于电容器的上方和下方。 这颗芯片在开关电容上还使用了另一个技巧：它在充当电阻的同时还能反转电压。在下面的开关电容电路中有四个开关。电容在相位1被充电至输入电压，这一点与之前相同。但在相位2，注意电容的上极板接地，而输出取自下极板。如果电容被充电到，比如说1伏，那么上极板比下极板高1伏。因此如果上极板接地，下极板就必须处于-1V。（这与电荷泵 (https://www.righto.com/2020/07/inside-8086-processor-tiny-charge-pumps.html) 的原理相同。）这种电路能使滤波器更精确，因为某些寄生电容会相互抵消。 使用四个开关，开关电容可以反转电压。(https://static.righto.com/images/mf10/switched2.jpg) 使用四个开关，开关电容可以反转电压。 ## 运算放大器积分器 大多数模拟电路的核心是运算放大器，简称运放。运放有两个输入端，将两者的差值放大很多个数量级。通常，运放配置为负反馈模式，这使得两个输入端的电压基本相等。运放不仅用于放大，还广泛用于滤波、缓冲、求和等任务。 基本的运放积分器。(https://static.righto.com/images/mf10/integrator.jpg) 基本的运放积分器。 滤波器芯片使用运放作为积分器，对输入电压进行时间积分。上图展示了一个简单的运放积分器。输入电压产生一个流经电阻的电流并为电容充电，因此电容保持的是输入电压随时间的积分。你可能会认为电容的左侧充电时会变为正极性。然而，运放的反馈迫使两个输入端都处于地电位，所以电容的右侧反而变为负极性。因此，输出是输入积分的负值。⁴ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:integral) MF10芯片使用上述电路，只是将电阻替换为开关电容。跨接在运放两端的电容不是开关电容，而是由电容阵列中的8个或16个电容组成。 ## CMOS开关 CMOS开关是使开关电容滤波器成为可能的关键技术。CMOS开关在导通时电阻相当低（大约几十欧姆），在关断时电阻极高（数百兆欧姆）。这种高电阻确保电荷不会从电容中泄漏。 CMOS开关由一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管组合构成。NMOS晶体管和PMOS晶体管是互补的。NMOS晶体管擅长将输出拉低，而PMOS晶体管擅长将输出拉高，因此两者组合就构成了一个有效的开关。NMOS晶体管由栅极的高电压导通，而PMOS晶体管由栅极的低电压导通。因此，CMOS开关需要两个极性相反的控制信号，这是一个小小的不便。 CMOS开关。(https://static.righto.com/images/mf10/switch-spst.jpg) CMOS开关。 上图展示了一个NMOS晶体管和PMOS晶体管并联实现的开关。当控制线为高电平、反相控制线为低电平时，两个晶体管都导通，为开关电路提供通路。当控制线为低电平（反相线为高电平时），晶体管关断，开关断开。 芯片成对使用CMOS开关，一个导通另一个关断。这就相当于一个拨动开关，将A或B中的一个连接到输出端。这个电路就是两个CMOS开关，每个开关有独立的控制线，如下图所示。在MF10中，开关以时钟频率进行切换。在一个时钟相位期间开关连接到A，而在另一个时钟相位期间开关连接到B。下面右侧的原理图是同一个电路，但重新排列以匹配芯片上的布局。 双投CMOS开关。(https://static.righto.com/images/mf10/switch-spdt.jpg) 双投CMOS开关。 下面的照片展示了芯片上的一组CMOS开关，由两个PMOS晶体管和两个NMOS晶体管构成。四条控制线以多晶硅横向延伸，在与掺杂硅交叉的地方形成晶体管栅极。上方的PMOS和NMOS晶体管由时钟相位1（Φ1）信号驱动，而下方的晶体管由相位2信号驱动。 芯片上的CMOS开关。金属层已被去除以显示晶体管。(https://static.righto.com/images/mf10/die-switches.jpg) 芯片上的CMOS开关。金属层已被去除以显示晶体管。 开关电容滤波器的一个问题是，时钟会产生开关噪声并出现在芯片输出中。MF10使用了几种技术来降低时钟噪声。每组晶体管都被两个隔离环包围：一个正极性、一个负极性。这些隔离环阻止噪声通过硅衬底传播。注意NMOS晶体管和PMOS晶体管的隔离环极性是相反的。上图中浅棕色的区域是第二层多晶硅。这层多晶硅连接到地，为开关电路提供了一个屏蔽层。 上面的照片中，我用酸去除了金属层⁵ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:acid)以使晶体管更清晰可见。下面的照片展示了原始的芯片，带有连接晶体管的金属层。那些小黑点是金属层与硅或多晶硅之间的连接点。 相同的CMOS开关，显示金属层。(https://static.righto.com/images/mf10/switches-metal.jpg) 相同的CMOS开关，显示金属层。 ## 组合起来：状态变量滤波器 实现滤波器有很多种方式。MF10芯片使用了一种称为状态变量滤波器的技术，该技术于1967年被发明。(https://doi.org/10.1109/JSSC.1967.1049798)这种电路同时充当三种滤波器，具有高通、带通和低通输出。此外，该电路非常灵活，因为频率、增益和滤波器品质因数（Q值）可以独立调节。它使用三个运放：一个用于信号求和，两个用于积分。通过改变信号求和的方式，可以改变滤波器的特性。下图展示了状态变量滤波器的简化表示。状态变量滤波器背后的数学比较复杂，我就不深入了。简而言之，信号、其积分以及二重积分构成了定义系统状态的三个状态变量。 带有两个积分器的状态变量滤波器简化图。灵感来自North Coast Synthesis。(https://static.righto.com/images/mf10/state-variable-filter.jpg) 带有两个积分器的状态变量滤波器简化图。灵感来自North Coast Synthesis (https://northcoastsynthesis.com/news/modular-synthesis-intro-part-8-statevariable-filters/)。 下面的框图展示了MF10数据手册中滤波器的表示方式。⁶ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capacitor-filter.html#fn:block-diagram)该框图与上面的图类似，同样有三个运放。不过，求和电路被单独分离了出来。此外，反馈路径也没有显式画出。取而代之的是，在芯片外部引脚（方框）之间连接电阻来配置滤波器。顶部的模式开关允许低通反馈由外部引脚（SA/B）控制。 一个滤波器部分的框图。改编自数据手册。(https://static.righto.com/images/mf10/datasheet-schematic.jpg) 一个滤波器部分的框图。改编自数据手册 (https://www.ti.com/lit/ds/symlink/mf10-n.pdf)。 下面的原理图是我对芯片上实现的滤波器进行逆向工程得到的原理图。它与框图非常吻合，但补充了细节。在框图中，求和电路（圆圈）将一个信号加上两个信号减去。这个求和电路由左侧的三个开关电容实现，它们充当求和电阻。注意一个开关在相位1接地，而其他开关在相位2接地；切换极性实现了加法和减法的区别。顶部的求和输入可以是低通输出的反馈或接地，由输入引脚选择。这里使用了一个CMOS开关，但这个开关是静态的，不是时钟控制的，因此不像其他开关那样使用保护环和屏蔽。 我对一个滤波器的逆向工程原理图。点击此图（或任何其他图片）可查看大图。(https://static.righto.com/images/mf10/filter-schematic.jpg) 我对一个滤波器的逆向工程原理图。点击此图（或任何其他图片）可查看大图。 积分器的输入端有开关电容，充当电阻。积分电容由电容阵列中的8个或16个"方块"电容组成，通过比值选择引脚进行选择。这控制了时钟频率与滤波器频率之间的比值，可以是50:1或100:1。⁷ (http://www.righto.com/2026/10/ML10-switched-capa