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)(Bandwidth)濾波器通過(guò)截止信號(hào)的頻率界限，一般用絕對(duì)頻率來(lái)表示，也可用中心頻率和相對(duì)帶寬等值來(lái)表示。帶通濾波器，中心頻率200KHz，帶寬25KHz。(PassbandRipple):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。((StopbandRejection):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一定比值的某一頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)。？？(PassbandGain):有用信號(hào)通過(guò)的能力。無(wú)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(guò)系統(tǒng)時(shí)的相位差異。？？性能指標(biāo)：運(yùn)算放大器的增益帶寬積，GBW對(duì)于濾波器的性能來(lái)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，則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10.625MHz。電流功耗，主要是單個(gè)運(yùn)放的功耗。示例：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。本項(xiàng)目電源電壓3.3V，GBW至少，負(fù)載1M歐，10pF，相位裕度大于80，電流<250uA。共模電平,一般設(shè)置為電源電壓的一半。考慮到電源電壓浮動(dòng)，按最小電源電壓的一半設(shè)計(jì)，擬設(shè)計(jì)為1.5V。輸入輸出差分電壓擺幅，最好是滿擺幅。噪聲，來(lái)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)不同，適當(dāng)時(shí)候也可以引進(jìn)全通單元放第一級(jí)來(lái)抑制噪聲(全通還被用來(lái)平衡群延時(shí))。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(lái)衡量，也有看輸入1dB壓縮點(diǎn)的。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(lái)避免振蕩；另外一種是隨工藝和溫度偏差帶來(lái)的頻率偏移，需要片上自調(diào)諧電路來(lái)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(lái)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，ThomasBiquad，橢圓函數(shù)，4階。理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(lái)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(diǎn)，Butterworth有最佳的帶內(nèi)平坦度，而Chebyshev則有較強(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)：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。運(yùn)放設(shè)計(jì)：本項(xiàng)目電源電壓3.3V，GBW至少10.625MHz，負(fù)載1M歐，10pF，相位裕度大于80，電流<250uA，共模電平1.5V。輸入阻抗盡量大，輸出阻抗盡量小。PMOS輸入優(yōu)點(diǎn)：不受sub影響，容易啟動(dòng)，容易做進(jìn)DNW里，隔離噪聲，但是稍微占面積。低通濾波器設(shè)計(jì)：頻率搬移：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(guò)程中元件可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，誤差可達(dá)到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(guò)檢測(cè)調(diào)諧系統(tǒng)中RC時(shí)間常數(shù)的變化，來(lái)控制濾波器中的RC時(shí)間常數(shù)。為了檢測(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(shuō)明濾波器中的RC常數(shù)也存在偏差，從而可通過(guò)調(diào)諧系統(tǒng)，改變電容陣列的控制碼，最終使RC常數(shù)達(dá)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?jǐn)?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(guò)電流鏡復(fù)制到電容支路，在充電時(shí)鐘來(lái)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，則積分電壓為:該電壓和比較器的參考電壓Vref,進(jìn)行比較，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，譯碼器將比較器輸出“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。如果比較器輸出為“1"，則會(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，以接近比較器的參考電壓。反之，如果比較器輸出為“0”，則會(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)備下一次充電和比較等一系列過(guò)程。經(jīng)過(guò)若干周期后，可以預(yù)計(jì)最終的積分電壓將接近參考電壓，從而調(diào)諧回路達(dá)到預(yù)期精度。經(jīng)過(guò)調(diào)諧Rref與C