有源RC带通滤波器设计方案.docx

有源 RC 带通滤波器设计方案一、需要关注的指标：功能指标1. 通带带宽(Bandwidth)滤波器通过截止信号的频率界限，一般用绝对频率 来表示，也可用中心频率和相对带宽等值来表示带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz2. 通带纹波(Passband Ripple):把通带波动的最高点和最低点的差值作为 衡量波动剧烈程度的参数，即是通带波纹通带波纹导致对于不同频率的信号放 大的增益倍数不同，可能输出信号波形失真0?巴特沃斯，通带平坦3. 阻带抑制((Stopband Rejection):即对不需要信号的抑制能力，一般希望 尽可能大，并在通带范围内陡峭的下降通常取通带外与带宽为一定比值的某一 频率的衰减值作为此项指标4. 通带增益(Passband Gain):有用信号通过的能力无源滤波器产生衰减， 有源滤波器可以产生增益5. 群时延:定义为相位对频率的微分，表征不同频率的信号通过系统时的相 位差异性能指标：1. 运算放大器的增益带宽积， GBW 对于滤波器的性能来讲，起到了至关重 要的作用如果设计得到的 GBW 较小不满足要求，则滤波器将在高频频 段出现增益尖峰同时为了降低滤波器的整体功耗， GBW 又不能选取的 太大。

根据当前业界对滤波器的研究，这里我们设定GBW为滤波器工作 截止频率的50倍带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz=====》最高截止频率为 212.5KHz====二》GBW 至少 10.625MHz2. 电流功耗，主要是单个运放的功耗示例：带宽为 2MHz 的有源带通滤波器所采用的的运放， 1.8V 电源电压 下，消耗的电流为310uA，中频电压增益为65dB，增益带宽积GBW为 160MHz，相位裕度为55度，驱动负载为100K欧，2pF本项目电源电压3.3V，GBW至少10.625MHz，负载1M欧，10pF，相位裕 度大于80，电流＜250uA3. 共模电平，一般设置为电源电压的一半考虑到电源电压浮动，按最小电源电压的一半设计，拟设计为1.5V4. 输入输出差分电压摆幅，最好是满摆幅5•噪声，来自电阻和运放，值得注意的是，构成高阶滤波器的各个Biquad 位置放置不同，噪声也会不同，适当时候也可以引进全通单元放第一级 来抑制噪声(全通还被用来平衡群延时)6. 线性度，也是滤波器的一个重要的性能性指标，在模拟基带电路中，一 般用THD总谐波失真来衡量，也有看输入1dB压缩点的。

7. 稳定性，分两种，一种是涉及到振荡的稳定性，需要仔细设计运放，并关注极点和稳定性圆的关系来避免振荡；另外一种是随工艺和温度偏差 带来的频率偏移，需要片上自调谐电路来修正二、设计步骤：1. 电路分析: 根据所要实现的系统指标、结构特点以及约束条件，来决定所采用的滤波器 类型、基本电路结构、传递函数的类型以及阶数等基本参数有源RC, Thomas Biquad,椭圆函数，4阶2. 曲线逼近理想的滤波器传输函数为矩形窗,而实际滤波器的设计是由不同的有理函数 来逼近,均有一定的滚降系数阶数越大,窗口越陡峭而不同的滤波器函数则 有不同的特点，Butterworth有最佳的带内平坦度，而Chebyshev则有较强的阻 带衰减根据系统指标和选定的逼近函数,得到具体的传输函数4 阶巴特沃斯，传输函数：-7.256e+04*&-4.362e+Q92S + 6.011e+D4*S + 6.169e+D97.256e+04*S + 1.Q53e+10S2 + 1.451 e+05'S + 6.169e+D9Wo = 了月伽十04Q = .5412Wo = 7.B54ei-04□ = 1.3074th Order Low Pass Bi_dterworthBand Fr&qu-snc-y 二 KHzKI■也加;s]tesl-H-HJnw;t(sttcal_・aylh3. 电路综合 根据曲线逼近所得到的传输函数，采用相应的电路结构，计算相应的元件参 数。

要注意系统中各种约束条件，以及器件的非理想性对函数曲线的影响a) 运放设计：本项目电源电压3.3V, GBW至少10.625MHz，负载1M欧，10pF,相位裕度 大于80,电流＜250uA，共模电平1.5V输入阻抗尽量大，输出阻抗尽量小VDDA160u/1up160u/1u—160u/1u40u/1u—outp1_2°u/1u—25uA80u/0.2u■2Pa10u/2uGNDAHPHUL1AV容易做进 DNW 里，隔离噪声，PMOS 输入优点：不受 sub 影响，容易启动， 但是稍微占面积b) 低通滤波器设计：I甩-媲他歛岀 口・l豁i1I LKOlVnMl ZK!1 KOWft■VA_ izraur一1 ClXl 迪i toil PX1 I_—-izrjpri LKdivnUlmI：1 LKd 曲c) 频率搬移：YrJfa&VrQVin +―V*S 3了直又翱今实即.复就频竊通过输出乘以丿％反馈给输入实现.屯路实现时需耍电阻交义耦合的反馈形武，貝体方法详见⑸W』+WjI tAMr—设滤波器中第/个积分器中的电容值为C .则与这个积分器对应的频率变换电阻可由卞式决定，R, = \ ^Ci ①武中，叫是复数滤波器的中心频率々:™ X4MHz) 0d)自调谐系统设计滤波器的中心频率和带宽决定于电路中用到的电阻和电容数值，而集成电路 在生产过程中元件可能会偏离设计值，误差可达到20%。

为了获得一个精确的频 率响应曲线，相应的自动频率调谐电路是必须的选择调谐系统的工作原理是通过检测调谐系统中RC时间常数的变化，来控制滤 波器中的RC时间常数为了检测的有效性，积分器中的电阻和电容阵列的类型 都和滤波器中的相同如果调谐系统中的RC常数和理想值存在偏差，说明滤波 器中的RC常数也存在偏差，从而可通过调谐系统，改变电容阵列的控制码，最 终使RC常数达到或最大限度地接近预期值JlfiCOChtnkJ飞丄H8时忡产生电裁（删W}«Wfl严十1J1严』iT站巾牝特們 1^9-图6调谐系统框图图6给出了调谐系统框图，主要由积分器、比较器及部分数字单元组成, 并给出了电容阵列的具体组成滤波器中的电容组成方式与此保持一致由于恒 跨导结构的作用，可将参考电压Vref转换为电流：该电流通过电流镜复制到电容支路，在充电时钟来临后，对电容充电并达到积分效果，设一个周期内的积分时间为Tint,则积分电压为：该电压和比较器的参考电压Vref,进行比较，送出“1”或“0”的判断信 号，该信号随即被送入数字单元数字单元的主要电路包括译码器和计数器，译 码器将比较器输出“1”译为“00001"，将“0”译为“11111” （负 1 的补码）。

此后，该 5 比特信号被送入计数器进行码元改变操作如果比较器输出为“1"，则会增加 5比特控制码的值，从而增加电容阵列 的值，使下一个周期的积分电压降低，以接近比较器的参考电压反之，如果比 较器输出为“0”，则会降低5 比特控制码的值，从而会降低电容阵列的值，使下 一个周期的积分电压增加，以接近参考电压在进行完每次码元改变后，都会产 生一个放电时钟，放掉电容阵列上的电荷，以准备下一次充电和比较等一系列过 程经过若干周期后，可以预计最终的积分电压将接近参考电压，从而调谐回路 达到预期精度经过调谐Rref与C的乘积约等于Tint,最终满足Vo=Vref，完成调谐 为了降低功耗，当调谐过程结束时，调谐电路将被关闭4.仿真 电路综合后要在仿真软件中进行晶体管级的仿真，得到实际的元件参数，然 后再进行版图设计和后仿真，保证电路在各种工艺角下都能满足指标要求。