有源RC帶通濾波器設(shè)計(jì)方案

1、有源RC帶通濾波器設(shè)計(jì)方案一、需要關(guān)注的指標(biāo)：功能指標(biāo)1. 通帶帶寬(Bandwidth)濾波器通過截止信號(hào)的頻率界限，一般用絕對(duì)頻率 來表示，也可用中心頻率和相對(duì)帶寬等值來表示。帶通濾波器，中心頻率 200KHz帶寬25KHZ2. 通帶紋波(Passband Ripple):把通帶波動(dòng)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的差值作為 衡量波動(dòng)劇烈程度的參數(shù)，即是通帶波紋。通帶波紋導(dǎo)致對(duì)于不同頻率的信號(hào)放 大的增益倍數(shù)不同，可能輸出信號(hào)波形失真。0?巴特沃斯，通帶平坦。3. 阻帶抑制(Stopband Rejection):即對(duì)不需要信號(hào)的抑制能力，一般希望 盡可能大，并在通帶范圍內(nèi)陡峭的下降。通常取通帶外與帶寬為

2、一定比值的某一 頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)。？ ？4. 通帶增益(Passband Gain):有用信號(hào)通過的能力。無源濾波器產(chǎn)生衰減， 有源濾波器可以產(chǎn)生增益。？ ？5. 群時(shí)延:定義為相位對(duì)頻率的微分，表征不同頻率的信號(hào)通過系統(tǒng)時(shí)的相 位差異。？ ？性能指標(biāo)：1. 運(yùn)算放大器的增益帶寬積，GBW對(duì)于濾波器的性能來講，起到了至關(guān)重要的作用。如果設(shè)計(jì)得到的 GBW較小不滿足要求，那么濾波器將在高頻頻 段出現(xiàn)增益尖峰。同時(shí)為了降低濾波器的整體功耗，GBW又不能選取的太大。根據(jù)當(dāng)前業(yè)界對(duì)濾波器的研究，這里我們?cè)O(shè)定GBWfe濾波器工作截止頻率的50倍。帶通濾波器，中心頻率200KHz帶寬25KHz=?

3、最高截止頻率為212.5KHz=GBW!少 2. 電流功耗，主要是單個(gè)運(yùn)放的功耗。例如：帶寬為2MHz的有源帶通濾波器所采用的的運(yùn)放，電源電壓 下，消耗的電流為 310uA中頻電壓增益為 65dB,增益帶寬積 GBW為 160MHz相位裕度為55度，驅(qū)動(dòng)負(fù)載為100K歐，2pF。本工程電源電壓，GBV至少負(fù)載1M歐，10pF，相位裕 度大于80，電流250uA3. 共模電平,一般設(shè)置為電源電壓的一半?？紤]到電源電壓浮動(dòng)，按最小電源電壓的一半設(shè)計(jì)，擬設(shè)計(jì)為。4. 輸入輸出差分電壓擺幅，最好是滿擺幅。5. 噪聲，來自電阻和運(yùn)放，值得注意的是，構(gòu)成高階濾波器的各個(gè)Biquad 位置放置不同，噪聲也會(huì)

4、不同，適當(dāng)時(shí)候也可以引進(jìn)全通單元放第一級(jí) 來抑制噪聲(全通還被用來平衡群延時(shí))。6. 線性度，也是濾波器的一個(gè)重要的性能性指標(biāo)，在模擬基帶電路中，一 般用THD總諧波失真來衡量，也有看輸入1dB壓縮點(diǎn)的。7. 穩(wěn)定性，分兩種，一種是涉及到振蕩的穩(wěn)定性，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)運(yùn)放，并關(guān)注極點(diǎn)和穩(wěn)定性圓的關(guān)系來防止振蕩；另外一種是隨工藝和溫度偏差 帶來的頻率偏移，需要片上自調(diào)諧電路來修正。二、設(shè)計(jì)步驟：1. 電路分析：根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及約束條件，來決定所采用的濾波器 類型、根本電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)的類型以及階數(shù)等根本參數(shù)。有源RC Thomas Biquad，橢圓函數(shù)，4階。2. 曲線逼近理

5、想的濾波器傳輸函數(shù)為矩形窗，而實(shí)際濾波器的設(shè)計(jì)是由不同的有理函數(shù) 來逼近，均有一定的滾降系數(shù)。階數(shù)越大，窗口越陡峭。而不同的濾波器函數(shù)那么 有不同的特點(diǎn)，Butterworth有最正確的帶內(nèi)平坦度，而Chebyshev那么有較強(qiáng)的阻 帶衰減。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)和選定的逼近函數(shù)，得到具體的傳輸函數(shù)。4階巴特沃斯，傳輸函數(shù)：-7.2S6e+04*S-4.362e+09S2 + 6.011e4-04*S + 6*1096+097.256e+Q4*S + 1.053e+10+孑右話石4Wo = 7 54e+04a = 5412Cpy | LEiR Tm %日詞 E就 |IMag 廠 Phase 口 Grp

6、Delay p? dE! p7 DegContinuou百 Frequency Response0Magniuda (dB)-4042 u21 u-140-1&1ThuMar； 1?;44 2021rrfnt i uiifms Fr*QneiicF E屮 ww2 a 4 e c r 刖1 K4th Order Lijvir F那色 ButterwrllnGv匸也？&ki忙3 4 57391 M莊wfes圧怎止川bt次芒3rp呷h T46CWo = 7.8kt04Q = 1 3Df4th Order Low Pass ButterworthRass Band IFr*qusncy -12.5C

7、KHz3 4 557G31F requency疋)3.電路綜合根據(jù)曲線逼近所得到的傳輸函數(shù)，采用相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，計(jì)算相應(yīng)的元件參 數(shù)。要注意系統(tǒng)中各種約束條件，以及器件的非理想性對(duì)函數(shù)曲線的影響。a) 運(yùn)放設(shè)計(jì)：本工程電源電壓，GBW至少負(fù)載1M歐，10pF,相位裕度 大于80,電流250uA 共模電平。輸入阻抗盡量大，輸出阻抗盡量小。iJ,1-t1IfIf51LW.11|w:O JHfI |XVDDAPMO輸入優(yōu)點(diǎn)：不受sub影響，容易啟動(dòng)，容易做進(jìn) DNW!，隔離噪聲, 但是稍微占面積。b低通濾波器設(shè)計(jì)：Fo- I Jrc頻率搬移:耍實(shí)現(xiàn)址數(shù)帶通池波只盅耍將 個(gè)實(shí)故低通濾波器巾門半桜叫、即

8、血Imuginfirv通過輸出乘以叫反說門輸入究現(xiàn)?？酥輰?shí)現(xiàn)時(shí)需耍社阻左叉稱的反慣形犬.具體方法詳見xr 0| 1/s| Xr圖17文匯揺金蟲現(xiàn)琵聯(lián)師鶉設(shè)濾波益中第，個(gè)積分器中的電容值為G.那么與這個(gè)積分器對(duì)應(yīng)的頻率變換電阻町由卜式?jīng)Q定；出=1/叫 G式中，叫是復(fù)數(shù)濾波器的中心頻率加X4MHz d自調(diào)諧系統(tǒng)設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率和帶寬決定于電路中用到的電阻和電容數(shù)值， 而集成電路 在生產(chǎn)過程中元件可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，誤差可到達(dá) 20%為了獲得一個(gè)精確的頻 率響應(yīng)曲線，相應(yīng)的自動(dòng)頻率調(diào)諧電路是必須的選擇。調(diào)諧系統(tǒng)的工作原理是通過檢測(cè)調(diào)諧系統(tǒng)中 RC時(shí)間常數(shù)的變化，來控制濾 波器中的RC時(shí)間常數(shù)。為了

9、檢測(cè)的有效性，積分器中的電阻和電容陣列的類型 都和濾波器中的相同。如果調(diào)諧系統(tǒng)中的 RC常數(shù)和理想值存在偏差，說明濾波 器中的RC常數(shù)也存在偏差，從而可通過調(diào)諧系統(tǒng)，改變電容陣列的控制碼，最 終使RC常數(shù)到達(dá)或最大限度地接近預(yù)期值。圖6給出了調(diào)諧系統(tǒng)框圖，主要由積分器、比擬器及局部數(shù)字單元組成，并給出了電容陣列的具體組成。濾波器中的電容組成方式與此保持一致。由于恒 跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用，可將參考電壓 Vref轉(zhuǎn)換為電流：Ic- V砂/也該電流通過電流鏡復(fù)制到電容支路， 在充電時(shí)鐘來臨后，對(duì)電容充電并達(dá) 到積分效果，設(shè)一個(gè)周期內(nèi)的積分時(shí)間為 Tint，那么積分電壓為：該電壓和比擬器的參考電壓 Vref

10、,進(jìn)行比擬，送出“ 1或“0的判斷信 號(hào)，該信號(hào)隨即被送入數(shù)字單元。數(shù)字單元的主要電路包括譯碼器和計(jì)數(shù)器，譯碼器將比擬器輸出“ 1譯為“ 00001，將“0譯為“ 11111 負(fù)1的補(bǔ)碼。 此后，該5比特信號(hào)被送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行碼元改變操作。如果比擬器輸出為“ 1，那么會(huì)增加5比特控制碼的值，從而增加電容陣列 的值，使下一個(gè)周期的積分電壓降低，以接近比擬器的參考電壓。反之，如果比 較器輸出為“ 0，那么會(huì)降低5比特控制碼的值，從而會(huì)降低電容陣列的值，使下 一個(gè)周期的積分電壓增加，以接近參考電壓。在進(jìn)行完每次碼元改變后，都會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)放電時(shí)鐘，放掉電容陣列上的電荷，以準(zhǔn)備下一次充電和比擬等一系列過 程。經(jīng)過假設(shè)干周期后，可以預(yù)計(jì)最終的積分電壓將接近參考電壓，從而調(diào)諧回路 到達(dá)預(yù)期精度。經(jīng)過調(diào)