用開關(guān)電容電路技術(shù)實(shí)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(xué)院學(xué)報(bào)JOURNALOFZHENGZHOUINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY.13No.45VolMar.1998用開關(guān)電容電路技術(shù)實(shí)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(xué)院控制工程系鄭州450002)摘要利用開關(guān)電容電路技術(shù),提出了七階橢圓函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì).在工作站上通過了.該設(shè)計(jì)有望成為集成電路芯片上的子系統(tǒng).PSPICE程序的仿真設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞濾波器;橢圓函數(shù);模擬集成電路;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);開關(guān)電容中圖分類號(hào)TN431110引言發(fā)送低通濾波器是組成發(fā)送信道的關(guān)鍵部件,整個(gè)發(fā)送信道的頻率特性主要由它確定.為了得到準(zhǔn)確而穩(wěn)定

2、的特性,筆者采用了開關(guān)電容濾波器,時(shí)鐘頻率為8MHz,用集成濾波器代替RLC濾波器,通過了電路設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì),確定了該濾波器技術(shù)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(chǔ)上降低了對(duì)元件制造的要求.1技術(shù)要求及參數(shù)選擇該低通濾波器的技術(shù)要求為:1)3dB截止頻率為800kHz;2)在1MHz處衰減50dB;3)通帶內(nèi)紋波1dB以下;4)電路中運(yùn)算放大器增益和帶寬盡可能低,VI(S便于實(shí)現(xiàn);5)開關(guān)頻率盡可能低,便于實(shí)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(xué)院學(xué)報(bào)1998年實(shí)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(dǎo)根據(jù)上述原型電路,利用開關(guān)電容電路的靈活設(shè)計(jì)特性,構(gòu)成僅由開關(guān)電容、運(yùn)算放大器組成的濾波器,易于實(shí)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(dǎo)如下:對(duì)節(jié)點(diǎn)“”I0-I2-SC1V1-SC2(V1-V2)=0即V1=2+C1+C2S(C1+C2)對(duì)節(jié)點(diǎn)“”I2-I4-

5、SC3V2-SC4(V2-V3)-SC2(V2-V1)=0即V2=1+3+C2+C3+C4C2+C3+C4S(C2+C3+C4)對(duì)節(jié)點(diǎn)“”I4-I6-SC5V3-SC6(V3-V4)-SC4(V3-V2)=0即V3=2+4+C4+C5+C6C4+C5+C6S(C4+C5+C6)對(duì)節(jié)點(diǎn)“”I6-I8-SC7V4-SC6(V4-V3)=0即V4=3+C6+C7S(C6+C7)為方便電路構(gòu)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(dá)式為I0=I2=I4=-R0SL2SL2SL4SL4I6=SL6=SL6I8=-R0R03構(gòu)成開關(guān)電容濾波器開關(guān)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(guān)電容電路技術(shù)實(shí)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(guān)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(guān)電容值)2)開關(guān)頻率采用輸出與輸出信號(hào)的時(shí)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(yùn)算放大器子電路選C1=015pF,RA=0101k8,gmO=0.5,gmA=-1,CA=50nF,R0=1k8.則運(yùn)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(xué)院學(xué)報(bào)1998年4.2開關(guān)電容基本單元子電路開關(guān)電容基本單元及連續(xù)時(shí)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(shí)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(guān)電容基本單元及連續(xù)時(shí)間等效電路4.3頻變電阻對(duì)開關(guān)電容電路精度影響的分析附表節(jié)點(diǎn)VdB(29)輸出結(jié)果在開關(guān)電容電路中,主要由運(yùn)算放大頻率響應(yīng)頻率器、電容器及開關(guān)電1.000E+04-6.044E+001.000E+05容所構(gòu)成,因此,R21.096E+04-6.044E+002.089E+052.089E+04-6.045E+003.020E+05對(duì)精度的影響最為明3.020E+04-6.047E+004.365E+05顯.當(dāng)=(2×4.365E+04-6.049E+005.248E+058

11、00000)50000005.248E+04-6.051E+006.310E+05時(shí),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(yīng)低于59.120E+04-6.064E+001.000E+06MHz,最好是8MHz以上.筆者曾采用fc=20MHz進(jìn)行模擬,效果接近理想情況,但設(shè)備要求顯然較高.4.4仿真程序(略)及結(jié)果仿真結(jié)果參閱附表.響應(yīng)-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(guān)電容電路技術(shù)實(shí)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(chǔ)上,將各參數(shù)值同時(shí)作用某一因子,使各個(gè)電容值及容值比易于實(shí)現(xiàn),且不會(huì)影響原電路特性.該因子取為1 20.6結(jié)論本文所討論的開關(guān)電容七階橢圓濾波器的仿真設(shè)計(jì)和調(diào)試結(jié)果表明,在小信

13、號(hào)輸入情況下確定的各器件的低限要求,為電路的實(shí)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(yùn)算放大器宏模型,來研究大信號(hào)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(xiàn)1董在望,尹達(dá)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(dá).開關(guān)電容濾波器的原理與設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社,1986.711803陸躍.開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò).成都:電子科技大學(xué)出版社,1989.36200DESIGNOFSEVEN2STAGESELLIPTICFUNCTIONFILTERUSINGSWITCH2CAPACITANCECIRCUITTECHNOLOGYSunXiangdongWangJifangMaSiweiABSTRACTAdesignofseven2stagesellipticfunctionfilterusingswitch2capacitancecircuittechnolo2gyisgiven.ThisdesignpastthroughemulationbyPSPICEprogramatcomputerandmaybebecomeasub2systemonsilicon.Keywordsfiltere