用開關電容電路技術實現(xiàn)的七階橢圓函數(shù)濾波器

1、第13卷第45期1998年3月鄭州輕工業(yè)學院學報JOURNALOFZHENGZHOUINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY.13No.45VolMar.1998用開關電容電路技術實現(xiàn)的七階橢圓函數(shù)濾波器孫向東王季方馬司偉(鄭州輕工業(yè)學院控制工程系鄭州450002)摘要利用開關電容電路技術,提出了七階橢圓函數(shù)濾波器的設計.在工作站上通過了.該設計有望成為集成電路芯片上的子系統(tǒng).PSPICE程序的仿真設計關鍵詞濾波器;橢圓函數(shù);模擬集成電路;計算機輔助設計;開關電容中圖分類號TN431110引言發(fā)送低通濾波器是組成發(fā)送信道的關鍵部件,整個發(fā)送信道的頻率特性主要由它確定.為了得到準確而穩(wěn)定

2、的特性,筆者采用了開關電容濾波器,時鐘頻率為8MHz,用集成濾波器代替RLC濾波器,通過了電路設計與仿真設計,確定了該濾波器技術條件下電路元件參數(shù)的合理取值,在滿足使用性能的基礎上降低了對元件制造的要求.1技術要求及參數(shù)選擇該低通濾波器的技術要求為:1)3dB截止頻率為800kHz;2)在1MHz處衰減50dB;3)通帶內紋波1dB以下;4)電路中運算放大器增益和帶寬盡可能低,VI(S便于實現(xiàn);5)開關頻率盡可能低,便于實現(xiàn).因此,選用七階橢圓函數(shù)濾波器,能夠滿足要求.RLC原型電路見圖1.歸一化參數(shù)選擇為s=11236AdB=5618C3=11648C7=019391C4=017351L2=

3、11239L2C1C3L4L6C5C7R0圖1七階RLC橢圓函數(shù)濾波器C1=11213C5=11450C2=011471C6=015211L4=018648L6=019163本文收到日期:1996204204男,37歲,講師© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.46鄭州輕工業(yè)學院學報1998年實參選擇為R0=1k8C1=FC22×800000×1000C3=FC42×800000×1000C5=FC62×800000×

4、1000C7=FL22×800000×1000L4=HL62×800000=F2×800000×1000F2×800000×1000F2×800000×1000H2×800000H2×8000002公式推導根據(jù)上述原型電路,利用開關電容電路的靈活設計特性,構成僅由開關電容、運算放大器組成的濾波器,易于實現(xiàn)集成.其中,用電容積分器來代替電感積分器.其節(jié)電電壓方程推導如下:對節(jié)點“”I0-I2-SC1V1-SC2(V1-V2)=0即V1=2+C1+C2S(C1+C2)對節(jié)點“”I2-I4-

5、SC3V2-SC4(V2-V3)-SC2(V2-V1)=0即V2=1+3+C2+C3+C4C2+C3+C4S(C2+C3+C4)對節(jié)點“”I4-I6-SC5V3-SC6(V3-V4)-SC4(V3-V2)=0即V3=2+4+C4+C5+C6C4+C5+C6S(C4+C5+C6)對節(jié)點“”I6-I8-SC7V4-SC6(V4-V3)=0即V4=3+C6+C7S(C6+C7)為方便電路構成,令V2=-V2,V4=-V4則上述4式分別為V1=-2+C1+C2S(C1+C2)V2=-1-3+C2+C3+C4C2+C3+C4S(C2+C3+C4)V3=-2-4+C4+C5+C6C4+C5+C6S(C4+

6、C5+C6)V4=-3+C6+C7S(C6+C7)各電流的表達式為I0=I2=I4=-R0SL2SL2SL4SL4I6=SL6=SL6I8=-R0R03構成開關電容濾波器開關電容電路圖見圖2.其參數(shù)確定如下:© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第45期孫向東等:用開關電容電路技術實現(xiàn)的七階橢圓函數(shù)濾波器47V2=-V2V4=-V466V2(s)24157.55s55CsCsCsCCs55sCsCsCL2CL4CL6圖2七階橢圓函數(shù)濾波器的開關電容電路圖1)電容參數(shù)(2

7、5;800000×1000)FC12=C1+C2=(11213+011471)(2×800000×1000)FC2=C2=011471(2×800000×1000)FC234=C2+C3+C4=(011471+11648+017351) (2×800000×1000)FC4=C4=017351(2×800000×1000)FC456=C4+C5+C6=(017351+11450+015211) (2×800000×1000)FC6=C6=015211(2×800000

8、5;1000)FC67=C6+C7=(015211+019391)2(2×800000×1000)FCL2=L2 R0=112392(2×800000×1000)FCL4=L4 R0=0186482(2×800000×1000)FCL6=L6 R0=019163Cs=01125nF(開關電容值)2)開關頻率采用輸出與輸出信號的時間差為Tc 2,且占空比為50,fc=8MHz.4電路模型的分析及仿真4.1運算放大器子電路選C1=015pF,RA=0101k8,gmO=0.5,gmA=-1,CA=50nF,R0=1k8.則運算放大)MHz

9、器的直流增益為5000,帶寬為(1 .© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.48鄭州輕工業(yè)學院學報1998年4.2開關電容基本單元子電路開關電容基本單元及連續(xù)時間等效電路見圖3.圖3(d),3(e),3(f)分別為3(a),3(b),2sin3(c)的連續(xù)時間等效電路,C1=,C=,R2=,122Cs2sin2sinR1=,R2=-R2,R1=Cs(cos-1)Cs(cos+1)22VI.CSVOVI.CSVOVI1.CSVO.(a)VI2.(c)(b)VI1.VOR1R2C1

10、R21R1.VI1R1VOVI.R11VOVI2.R1.(d).(e)C111(f)圖3開關電容基本單元及連續(xù)時間等效電路4.3頻變電阻對開關電容電路精度影響的分析附表節(jié)點VdB(29)輸出結果在開關電容電路中,主要由運算放大頻率響應頻率器、電容器及開關電1.000E+04-6.044E+001.000E+05容所構成,因此,R21.096E+04-6.044E+002.089E+052.089E+04-6.045E+003.020E+05對精度的影響最為明3.020E+04-6.047E+004.365E+05顯.當=(2×4.365E+04-6.049E+005.248E+058

11、00000)50000005.248E+04-6.051E+006.310E+05時,取fc=5MHz,6.310E+04-6.054E+007.586E+057.586E+04-6.059E+008.318E+05則G2=G0+G0.248.318E+04-6.061E+009.120E+05據(jù)此,fc不應低于59.120E+04-6.064E+001.000E+06MHz,最好是8MHz以上.筆者曾采用fc=20MHz進行模擬,效果接近理想情況,但設備要求顯然較高.4.4仿真程序(略)及結果仿真結果參閱附表.響應-6.068E+00-6.104E+00-6.103E+00-6.140E+0

12、0-6.190E+00-6.092E+00-1.004E+01-2.642E+01-4.317E+01-6.777E+01© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第45期孫向東等:用開關電容電路技術實現(xiàn)的七階橢圓函數(shù)濾波器495電容參數(shù)的優(yōu)化由于MOS電容在制造工藝下通常低于100pF,因此可在原分析的基礎上,將各參數(shù)值同時作用某一因子,使各個電容值及容值比易于實現(xiàn),且不會影響原電路特性.該因子取為1 20.6結論本文所討論的開關電容七階橢圓濾波器的仿真設計和調試結果表明,在小信

13、號輸入情況下確定的各器件的低限要求,為電路的實現(xiàn)提供了保證.筆者將在下一段研究工作中,采用一種新的運算放大器宏模型,來研究大信號情況下該濾波器的電特性,并研究飽和輸出及擺率的影響.參考文獻1董在望,尹達衡.模擬集成電路原理與系統(tǒng).北京:高等教育出版社,1987.1312452陸明達.開關電容濾波器的原理與設計.北京:高等教育出版社,1986.711803陸躍.開關電容網絡.成都:電子科技大學出版社,1989.36200DESIGNOFSEVEN2STAGESELLIPTICFUNCTIONFILTERUSINGSWITCH2CAPACITANCECIRCUITTECHNOLOGYSunXiangdongWangJifangMaSiweiABSTRACTAdesignofseven2stagesellipticfunctionfilterusingswitch2capacitancecircuittechnolo2gyisgiven.ThisdesignpastthroughemulationbyPSPICEprogramatcomputerandmaybebecomeasub2systemonsilicon.Keywordsfiltere