典型的滤波特性和开关电容滤波器.ppt

1. 滤波特性,滤波器的设计目标是根据不同的实际要求，实现其最佳的近似理想特性。,9.2.8 三种典型的滤波特性,巴特沃斯特性曲线,每一种滤波器(LPF、HPF、BPF、BEF)都能通过改变与时间常数有关的元件参数获得与巴特沃斯、切比雪夫或贝塞尔特性曲线相对应的滤波特性。,切比雪夫特性曲线,贝塞尔特性曲线,2. 三种频率响应函数的比较,巴特沃思型低通滤波器的幅频响应:,巴特沃思型低通滤波器在通带内的频率特征是平坦无凹凸的，并且在允许条件下可得到最大带宽。因此，巴特沃思滤波器具有最大平坦特性，其阶数n越高，滤波响应曲线越逼近理想模型。,c是-3dB的截止频率,n是滤波器的阶数, 是决定最大通带起伏量的常数,切比雪夫型低通滤波器的幅频响应:,切比雪夫型滤波器以引入通带起伏为代价，使过渡带曲线下降的斜率最大化。在给定过渡带截止速率的情况下，切比雪夫滤波器虽然在通带内的曲线产生了一定幅度的振荡，但是可以用低于巴特沃斯滤波器的阶次来实现，从而降低了电路的复杂性和成本。,c是-3dB的截止频率,切比雪夫多项式, 2 1,2. 三种频率响应函数的比较,贝塞尔型低通滤波器的传递函数:,与巴特沃斯型滤波器相比，贝塞尔型滤波器的频率特性稍差一些，过渡带衰减缓慢，但它在通带内产生接近线性的相位特性，因而具有良好的瞬态特性。,n是滤波器的阶数,贝塞尔多项式,2. 三种频率响应函数的比较,3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性,上述三种类型的滤波器并不是拓扑结构不同的电路，实际上它们是同一电路在不同参数配置下得到的不同响应函数。以三阶压控型LPF为例，电路如图所示。,三阶压控型低通滤波器,设截止频率为1kHz，R=1k，,巴特沃思型低通滤波器幅频特性的仿真,3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性,设截止频率为1kHz，R=1k，,切比雪夫型低通滤波器幅频特性的仿真,3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性,设截止频率为1kHz，R=1k，,贝塞尔型低通滤波器幅频特性的仿真,3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性,4. 滤波器的瞬态特性,与滤波器传递函数的相频特性有关，瞬态特性表示滤波器输入非正弦波信号时的响应,滤波器会产生一个与频率有关的相位偏移，如果相位与频率之间是线性关系，那么滤波器仅使信号延时一个常量；反之，若相位的变化是非线性的，即不同的频率成分有不同的相移，则非正弦信号通过这种滤波器时会产生严重的相位失真。,描述滤波器瞬态特性的主要参数有群延迟、阶跃响应和冲激响应。,滤波器过渡带的幅频特性越陡峭，这种失真越严重。,三种滤波器的冲激响应,4. 滤波器的瞬态特性,开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关、电容器和运算放大器三部分组成。开关电容电路的特性仅与各电容器电容量之比的准确性有关，而与电容器的精度无关。在集成电路中，可以获得准确性很高的电容比。,9.3.1 开关电容模拟电阻,9.3 开关电容滤波器,开关电容模拟电阻,时钟驱动信号,由两相时钟1和2控制开关S1、S2。,9.3.1 开关电容模拟电阻,基本开关电容电路,模拟开关S1和S2的动作规律： S1断 S2断 S1通 S2断 S1断 S2断 S1断 S2通,当开关S1闭合，S2断开时，u1对C充电。,充电电荷 。,当开关S2闭合，S1断开时，C放电。,放电电荷 。,设开关的周期为TCP，节点从左到右传输的总电荷为：,9.3.1 开关电容模拟电阻,等效电流：,如果时钟脉冲的频率fCP足够高，在一个时钟周期内两个端口的电压可认为基本不变，则基本开关电容单元就可以等效为一个电阻：,开关电容的优点：利用MOS工艺控制开关电容的大小，即可制作大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传统工艺的1%左右。,9.3.1 开关电容模拟电阻,时间常数：,通带截止频率：,9.3.2 一阶RC低通环节,时钟频率,电容量之比,通带截止频率,稳定、准确,当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比，而与电容的绝对值无关。集成工艺制作的MOS电容比的精度优于0.01%，温度系数小于10ppm/。所以集成开关电容滤波器的截止频率准确度高且稳定性好。,9.3.2 一阶RC低通环节,一阶开关电容滤波器及其等效电路,设 ,9.3.3 一阶开关电容低通滤波器,9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260,MAX260芯片内含两个独立的二阶开关电容滤波单元，每个滤波单元的中心频率f0、品质因数Q及工作模式均可由程序设置。通过编程可以设置64种f0、128个Q值及四种工作模式。芯片内部两个独立的滤波单元分别用A、B 表示。,MAX260是美国 MAXIM 公司生产的程控滤波器芯片，可以通过微处理器编程控制滤波器的传递函数，不需要外接元件即可构成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，简化了有源滤波器的设计过程。,MAX260的引脚图,MAX260通过滤波单元的级联，可以实现四阶滤波器。由MAX260构成的四阶带通滤波器如图所示。,MAX260构成的四阶带通滤波器,9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260,MAX260的一组二阶滤波单元结构:,MAX260的滤波单元结构,9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260,在MAX260的滤波单元中，可采用多种方式配置加法放大器和积分器，实现不同的滤波功能。该芯片通过将编程模式字写入编程内存来选择工作模式。,模式1：,ALP=-1,ABP=-Q,ABE1=ABE2=-1,可以构成巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔型滤波器，实现低通和带通滤波功能，也可以构成二阶带阻滤波器；该模式与模式4支持高时钟频率。,9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260,模式2：,ALP=-0.5,ABP=-0.707Q,ABE1=-0.5，ABE2=-1,可以构成低通、带通和带阻滤波器。与模式1相比，其主要优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。,9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260,模式3：,ALP=-1,ABP=-Q,AHP=-1,只有该模式可以构成高通滤波器，也可以构成低通和带通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。若采用独立的运算放大器，将模式3的高通输出和低通输出相加，就可以构成带阻滤波器。,9.3.4 集成开关