有源RC帶通濾波器設(shè)計方案

1、有源RC帶通濾波器設(shè)計方案一、需要關(guān)注的指標：功能指標1.通帶帶寬(Bandwidth)濾波器通過截止信號的頻率界限，一般用絕對頻率來表示，也可用中心頻率和相對帶寬等值來表示。帶通濾波器，中心頻率200KHz，帶寬25KHz。2.通帶紋波(Passband Ripple):把通帶波動的最高點和最低點的差值作為衡量波動劇烈程度的參數(shù)，即是通帶波紋。通帶波紋導(dǎo)致對于不同頻率的信號放大的增益倍數(shù)不同，可能輸出信號波形失真。0？巴特沃斯，通帶平坦。3.阻帶抑制(Stopband Rejection):即對不需要信號的抑制能力，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一定比值的某

2、一頻率的衰減值作為此項指標。？4.通帶增益(Passband Gain):有用信號通過的能力。無源濾波器產(chǎn)生衰減，有源濾波器可以產(chǎn)生增益。？5.群時延:定義為相位對頻率的微分，表征不同頻率的信號通過系統(tǒng)時的相位差異。？性能指標：1. 運算放大器的增益帶寬積，GBW對于濾波器的性能來講，起到了至關(guān)重要的作用。如果設(shè)計得到的GBW較小不滿足要求，則濾波器將在高頻頻段出現(xiàn)增益尖峰。同時為了降低濾波器的整體功耗，GBW又不能選取的太大。根據(jù)當前業(yè)界對濾波器的研究，這里我們設(shè)定GBW為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=最高截止頻率為212.5KHz=GBW至少

3、10.625MHz。2. 電流功耗，主要是單個運放的功耗。示例：帶寬為2MHz的有源帶通濾波器所采用的的運放，1.8V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)動負載為100K歐，2pF。本項目電源電壓3.3V，GBW至少10.625MHz，負載1M歐，10pF，相位裕度大于80，電流250uA。3. 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，按最小電源電壓的一半設(shè)計，擬設(shè)計為1.5V。4. 輸入輸出差分電壓擺幅，最好是滿擺幅。5. 噪聲，來自電阻和運放，值得注意的是，構(gòu)成高階濾波器的各個Biquad位置放置不

4、同，噪聲也會不同，適當時候也可以引進全通單元放第一級來抑制噪聲(全通還被用來平衡群延時)。6. 線性度，也是濾波器的一個重要的性能性指標，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，需要仔細設(shè)計運放，并關(guān)注極點和穩(wěn)定性圓的關(guān)系來避免振蕩；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)計步驟：1.電路分析:根據(jù)所要實現(xiàn)的系統(tǒng)指標、結(jié)構(gòu)特點以及約束條件，來決定所采用的濾波器類型、基本電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)的類型以及階數(shù)等基本參數(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，而實際濾波器的設(shè)計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)則有不同的特點，Butterworth有最佳的帶內(nèi)平坦度，而Chebyshev則有較強的阻帶衰減。根據(jù)系統(tǒng)指標和選定的逼近函數(shù)，得到具體的傳輸函數(shù)。4階巴特沃斯，傳輸函數(shù)：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函數(shù)曲線的影響。a) 運放設(shè)計：本項目電源電壓3.3V，GBW至少10.625MHz，負載1M歐，10pF，相位裕度大于80，電流250uA，共模電平1.5V。輸入阻抗

6、盡量大，輸出阻抗盡量小。PMOS輸入優(yōu)點：不受sub影響，容易啟動，容易做進DNW里，隔離噪聲，但是稍微占面積。b) 低通濾波器設(shè)計：c) 頻率搬移：d) 自調(diào)諧系統(tǒng)設(shè)計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)過程中元件可能會偏離設(shè)計值，誤差可達到20%。為了獲得一個精確的頻率響應(yīng)曲線，相應(yīng)的自動頻率調(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調(diào)諧系統(tǒng)中RC時間常數(shù)的變化，來控制濾波器中的RC時間常數(shù)。為了檢測的有效性，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)

7、諧系統(tǒng)，改變電容陣列的控制碼，最終使RC常數(shù)達到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、比較器及部分數(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:該電流通過電流鏡復(fù)制到電容支路，在充電時鐘來臨后，對電容充電并達到積分效果，設(shè)一個周期內(nèi)的積分時間為Tint，則積分電壓為:該電壓和比較器的參考電壓Vref,進行比較，送出“1”或“0”的判斷信號，該信號隨即被送入數(shù)字單元。數(shù)字單元的主要電路包括譯碼器和計數(shù)器，譯碼器將比較器輸出“1”譯為“00001，將“0”譯為“11111”(負1的補碼)。此后，該5比特信號被送入計數(shù)器進行碼元改變操作。如果比較器輸出為“1，則會增加5比特控制碼的值，從而增加電容陣列的值，使下一個周期的積分電壓降低，以接近比較器的參考電壓。反之，如果比較器輸出為“0”，則會降低5比特控制碼的值，從而會降低電容陣列的值，使下一個周期的積分電壓增加，以接近參考電壓。在進行完每次碼元改變后，都會產(chǎn)生一個放電時鐘，放掉電容陣列上的電荷，以準備下一次充電和比較等一系列過程。經(jīng)過若干周期后，可以預(yù)計最終的積分電壓將接近參考電壓，從而調(diào)諧回路達到預(yù)期精度。經(jīng)過調(diào)諧Rref與