電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2講

1、第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì) v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì) 在實(shí)際電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)中往往包含一些不需要的信號(hào)成分，必須設(shè)法將其衰減到足夠小的程度，或者把有用的信號(hào)挑選出來(lái)。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì) v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì) 模擬濾波器就是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過(guò)，而阻止其他頻率信號(hào)通過(guò)的電路。模擬濾波器分無(wú)源濾波器和有源濾波器兩種。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器由無(wú)源器件R、C和L組成。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)源濾波的優(yōu)點(diǎn)為成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟，容量大。 無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)：電感L的體積和重量較大，而且濾波效果不理想,帶負(fù)載能力差。第2章 模擬濾波

2、器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器由R、C和運(yùn)算放大器構(gòu)成，在減小體積和減輕重量方面得到顯著改善，尤其是運(yùn)放具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)可使有源濾波器提供一定的信號(hào)增益。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器的傳遞函數(shù)模型 h(t)X(t)y(t) 第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v 第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)描述濾波器的動(dòng)態(tài)特性的有3種形式：（1）單位沖激響應(yīng)： x(t)=(t)，y(t)=h(t)（2）傳遞函數(shù):（3）頻率特性: 第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v低通、高通、帶通和帶阻濾波器的理想幅頻特性 0H0)(Hjc0H0)(Hjc0

3、H0)(HjH0H0)(HjHLL第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)濾波器的品質(zhì)因素Q也稱為濾波器的截止特性系數(shù)，其值決定了濾波器在附近的頻率特性。按照附近頻率特性特點(diǎn)，可將濾波器分為巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshew）型、貝塞爾（Bessel）型三種類型。 第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器的輸出信號(hào)幅度隨頻率增高單調(diào)下降，具有最平坦的通帶幅頻特性，但相移與頻率的關(guān)系不是很線性，階躍響應(yīng)有過(guò)沖。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)貝塞爾濾波器在

4、通帶內(nèi)具有與巴特沃斯濾波器一樣的最大平坦特性，相移和頻率之間有良好的線性關(guān)系，階躍響應(yīng)過(guò)沖小，但幅頻曲線的下降較緩慢。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)切比雪夫?yàn)V波器通帶內(nèi)增益有起伏（紋波），與巴特沃斯濾波器和貝塞爾濾波器相比過(guò)渡帶曲線下降較快。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1 模擬有源濾波器設(shè)計(jì)第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v二階無(wú)限增益多重反饋濾波器電路Z1+-AZ2Z3Z5Z4R1+-AR2C1C2R3C1+-AC2R1R2C3（a）基本電路（b）低通濾波器（c）高通濾波器（d）帶通濾波器R1+-AC1R2R3C2第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v二階電壓控制電壓源濾波器電路Z1+-

5、AZ2Z3Z5Z4RsRfR1+-AC1C2R2RsRfC1+-AR1R2C2RsRfR1+-AR2R3C2C1RsRf（c）高通濾波器（d）帶通濾波器（a）基本電路（b）低通濾波器第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v二階無(wú)限增益多重反饋濾波器基本電路的優(yōu)點(diǎn)是電路有倒相作用，使用元件少，但增益調(diào)節(jié)對(duì)其性能參數(shù)會(huì)有影響。v二階電壓控制電壓源濾波器電路的優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.1.2 有源低通濾波器和高通濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器的四大要素 濾波器的電路類型無(wú)限增益多重反饋電壓控制電壓源濾波器的種類高通濾波器低通濾波器帶通濾波器+濾波器的近似貝塞爾巴特沃斯切比雪夫+濾波器的

6、階數(shù)2階1階3階+第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v例例1： 二階無(wú)限增益多二階無(wú)限增益多重反饋低通濾波器的設(shè)重反饋低通濾波器的設(shè)計(jì)。假設(shè)濾波器的通帶計(jì)。假設(shè)濾波器的通帶增益增益A01，截止頻率，截止頻率fC=3.4kHz，Q為為0.707。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v傳遞函數(shù)212332112213111111CCRRRRRCssCCRR/)s(H）（第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v與二階低通濾波器傳遞函數(shù) 相比較得到：2220CCCsQsH)s(H120RRH21321CCRRC3223213221R/RR/RR/RRC/CQ第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v 0202121411AQCn/AQRC）（ 012A

7、RR 212231CCRRC第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v取取n=4Q2（1+A0），上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：），上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：02121AQCRC令令2C01CR，可得到濾波器中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式為，可得到濾波器中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式為C14Q2（1A0）C2R1R0/（2Q A0）R2= A0R1R3= R0/2Q (1+A0)由此可見(jiàn)，只要確定由此可見(jiàn)，只要確定C2的值，其余的參數(shù)可隨之確定。的值，其余的參數(shù)可隨之確定。第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)（1）首先決定C2的容量，再根據(jù)電容容量，用R0=1/2fCC2公式計(jì)算基準(zhǔn)電阻R0。選取C2值為2200pF，則基準(zhǔn)電阻R01/2fCC221.29

8、k。（2）計(jì)算C1的電容值，C14Q2（1A0）C0=8797 pF（3）計(jì)算R1的電阻值，R1R0/（2Q A0）15.05 k（4）計(jì)算R2的電阻值，R2= A0R115.05 k（5）計(jì)算R3的電阻值，R3= R0/2Q (1+A0)7.53 k濾波器中各項(xiàng)參數(shù)的具體計(jì)算步驟是：第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)各電阻、電容取標(biāo)稱值以后濾波器原理圖各電阻、電容取標(biāo)稱值以后濾波器原理圖第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)二階低通濾波器幅頻特性仿真結(jié)果二階低通濾波器幅頻特性仿真結(jié)果 第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v模擬有源濾波器在使用中的不足：由于元件參數(shù)的容差和運(yùn)算放大器非理想性的影響，實(shí)際濾波器的響應(yīng)很有可能偏離理

9、論上預(yù)期濾波器參數(shù)易受環(huán)境溫度影響濾波器帶寬不易調(diào)整濾波器外圍元件多，體積大2.2開(kāi)關(guān)電容濾波器(SCF)Switched Capacitor Filterv開(kāi)關(guān)電容濾波器是由MOS開(kāi)關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)算放大器構(gòu)成的一種大規(guī)模集成電路濾波器。開(kāi)關(guān)電容濾波器(SCF)v開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)通過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)周期性地作用于MOS電容來(lái)模擬電阻，使得開(kāi)關(guān)電容濾波器的時(shí)間常數(shù)取決于電容的比值而不是RC乘積。因此，開(kāi)關(guān)電容濾波器可以提供穩(wěn)定的截止頻率或中心頻率。開(kāi)關(guān)電容濾波器(SCF)v開(kāi)關(guān)電容濾波器可直接處理模擬信號(hào)，而不必像數(shù)字濾波器那樣需要A/D、D/A變換，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。2

10、.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v1 開(kāi)關(guān)電容電路開(kāi)關(guān)電容電路是根據(jù)電荷儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移原理而構(gòu)成的電路。v1 開(kāi)關(guān)電容電路開(kāi)關(guān)電容由兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)和MOS電容組成。 1和1是不重疊的兩相時(shí)鐘脈沖，因此兩只MOS管輪流導(dǎo)通。 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器 在在t=(n- -1)TC時(shí)刻，開(kāi)關(guān)打在左邊，時(shí)刻，開(kāi)關(guān)打在左邊，電容充電至電容充電至v1(t)，其充電量為其充電量為qC(t)=C v1 (n- -1)TC在在(n- -1/2)TC時(shí)刻，開(kāi)關(guān)打在右邊，時(shí)刻，開(kāi)關(guān)打在右邊，電容放電至電容放電至v2(t)，電容上電量為，電容上電量為qC(t)=qC (n- -1/2)TC =C v2 (n- -1/ 2)TC在每一個(gè)

11、時(shí)鐘周期在每一個(gè)時(shí)鐘周期TC內(nèi)，電容上電荷的變化量為內(nèi)，電容上電荷的變化量為)2/1()1( )(C21CTnvTnvCtqC開(kāi)關(guān)電容電路開(kāi)關(guān)電容電路)2/1(1)(21CCCCCCTnvTnvTCTtqti）（)()(1)()()(2121CtvtvRtvtvTCtiSCCCCSCCfCTR1 從近似平均的角度看，可以把一個(gè)從近似平均的角度看，可以把一個(gè)TC內(nèi)由內(nèi)由v1 (t)送往送往v2(t)的的qC(t)等效為一個(gè)平均電流等效為一個(gè)平均電流iC(t)，其大小為：，其大小為： 因?yàn)闀r(shí)鐘脈沖周期因?yàn)闀r(shí)鐘脈沖周期TC遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于v1 (t)和和v2(t)的周期，故在的周期，故在TC內(nèi)可認(rèn)為

12、內(nèi)可認(rèn)為v1(t)和和v2(t)是恒值。是恒值。開(kāi)關(guān)電容電路開(kāi)關(guān)電容電路第2章 模擬濾波器的設(shè)計(jì)v2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器用開(kāi)關(guān)電容來(lái)模仿電阻用開(kāi)關(guān)電容來(lái)模仿電阻 開(kāi)關(guān)電容相當(dāng)于一個(gè)電阻開(kāi)關(guān)電容相當(dāng)于一個(gè)電阻 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v1 開(kāi)關(guān)電容電路開(kāi)關(guān)電容能模擬成電阻，解決了模擬集成電路制造中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)樵诩呻娐分圃爝^(guò)程中，電阻常常受到容差和熱漂移所困擾，而且要占據(jù)昂貴的芯片面積。 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v1 開(kāi)關(guān)電容電路例如，制造一個(gè)10M的集成電阻所占硅片襯底面積約為1mm2，而制造一個(gè)10M的開(kāi)關(guān)電容模擬電阻，在fC=100kHz時(shí)，只要制造1pF的MOS電容，該電容占用的硅片

13、襯底面積只有0.01 mm2。 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容積分器2121IO1s1CRjCRvv）（）（0/1jjH2101CR2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容積分器用開(kāi)關(guān)電容代替積分器中的電阻開(kāi)關(guān)電容積分器原理圖 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容積分器v結(jié)論：電路中沒(méi)有電阻。特征頻率0取決于電容比值，采用現(xiàn)有的技術(shù)，很容易就可以達(dá)到低至0.1%的比值容差。2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容積分器v結(jié)論：特征頻率0與時(shí)鐘頻率f CLK成比例，表明開(kāi)關(guān)電容必然是可編程的。改變會(huì)在頻譜圖上使響應(yīng)上移或下移。另一方面，如果需要一個(gè)固定和穩(wěn)定的特征頻率f CLK ，則可用一石英晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生f CLK 。2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF） 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v2. 開(kāi)關(guān)電容積分器 2.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器v開(kāi)關(guān)電容濾波器使用時(shí)基本上不需要外接元件，頻率響應(yīng)函數(shù)是固定的，只需要確定其截止頻率。v由于濾波器截止頻率與時(shí)鐘頻率有一定的比例關(guān)系，因此，濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)僅僅是對(duì)時(shí)鐘頻率的選擇。2.3 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器vTLC14巴特沃斯四階低通開(kāi)關(guān)電容濾波器（1）低成本、易用；（2）濾波器的截止頻