【《滤波器主要性能指标和分类分析概述》2000字】

滤波器主要性能指标和分类分析概述滤波器是具有频率选择特性的系统，其目的是减小甚至消除信号中的干扰噪声，从原始信号中获取目标特征信号的信息。1.1滤波器主要性能指标在衡量滤波器综合性能时，一般考虑以下几个性能指标[5]-[8]：(1)截止频率截止频率通常指在幅频特性曲线中最高点下降3dB点（或最低点增加3dB点）。本文所讨论的带通滤波器包括上边频(fu)和下边频(fL)。(2)中心频率中心频率fC是带通滤波器（或带阻滤波器）的固有频率，低于中心频率并且幅值降低至3dB为下边频，高于中心频率并且幅值降低至3dB为上边频，故其计算方法为两个3dB点的几何平均。(3)带宽对于带通滤波器，带宽为通频带的频段值，可以表述为以3dB衰减为定义的上边频与下边频的频率差：BW3dB(4)品质因数品质因数Q可以衡量滤波器频率选择性，其通常定义为谐振频率（中心频率）下系统平均储存的能量与单位周期时间内损失的能量之比：Q=ω其中Wstored为平均储能，Ploss为功率损失。品质因数分为滤波器固有品质因数QFQω(5)插入损耗插入损耗IL描述滤波器固有损耗，其定义为功率响应幅值和0dB基准之差，计算式如式1-4所示：IL=10log其中Pin为输入信号功率，PL为负载功率，Γin为滤波器输入反射系数。(6)噪声系数噪声系数NF衡量系统引入的噪声大小，定义输入端信噪比(SNR)i与输出端信噪比(SNR)(SNR)i(SNR)oNF=(SNR)其中Vn,in2和In,in2为等效输入噪声源，AV为电路电压增益，V(7)线性度实际系统的增益会在输入功率高于一定值后而降低。对于无源系统，其线性度非常高，不需要考虑线性度对系统的影响，但是在有源系统中，由于晶体管的输入输出特性存在严重非线性，使得有源系统也存在严重的非线性。为了表示系统的线性度，引入1dB压缩点P1dB。输入1dB压缩点的定义为功率增益低于线性增益1dB时的输入功率点，其值越高，系统线性度越好。滤波器所讨论的线性度一般为输入线性度。1.2滤波器分类射频滤波器主要数字和模拟分为两大类，如图1-2所示。图1-2射频带通滤波器分类数字滤波器以其优异的低频性能与简单的硬件电路而在数字信号处理系统的应用较为广泛，但是根据奈特斯奎定理，其在高频应用中需要更高的采样频率，因而受到很大限制。在信号处理前，数字滤波器应加上抗混叠抑制。模拟滤波器分为无源和有源两大类。无源滤波器包括LC滤波器、机械滤波器、压电滤波器、晶体滤波器等，所有电路均采用无源器件，因此其工作频率可以达到很高。由于不存在晶体管，故线性度很好，但是插损较为严重，同时其集成难度较大，不利于滤波器小型化与集成化。有源滤波器则可以分为两类，即离散时间滤波器和连续时间滤波器。离散时间滤波器在高频应用中较为复杂，因此本文不予介绍。目前常见的连续时间滤波器主要包括有源RC滤波器、Q-enhancedLC滤波器、对数滤波器、OTA-C(Gm-C)滤波器[9]。(1)RC滤波器是采用运放、电阻和电容组成的电路，其工作范围到MHz，同时采用的无源器件较多，集成起来所用芯片面积较大，且集成电路制作中，电容电阻精确度在10%左右，使得电路稳定度差，因此一般很少使用。对于本文所讨论的滤波器，其工作频段为4-6GHz，则该架构失效。(2)Q-enhancedLC滤波器通过采用负阻结构补偿电路损耗，从而增强电路品质因数，提高集成LC滤波器的性能。该滤波器结构简单，由于其基础结构为无源LC网络，因此工作频率能够达到很高，可以有效实现本文所设计的带通滤波器。(3)对数滤波器与其他滤波器不同，其以电流信号工作。基本工作方式为在对数滤波器的输入与输出端口分别加上对数转换器和反对数转换器，两个相反运算互补，从而获得一个线性系统。其有较大的信号带宽，运算速度快。(4)OTA-C(Gm-C)滤波器由跨导放大器(OTAOperationaltransconductanceamplifier简记Gm)和电容组成。其基本原理为：以跨导放大器和电容为基本单元构成有源滤波器中所需的VGA、有源电阻、回转器和有源电感等结构。该结构基本框架为无源RLC滤波电路，因此可以实现很高的工作频率，但是电路器件较多，结构较为复杂。在上述几种有源滤波器架构中，Q-enhancedLC滤波器和OTA-C(Gm-C)滤波器是最常用的滤波器结构，调谐实现方式均较为容易。Q-enhancedLC滤波器可通过调节电容与电感实现中心频率调谐，调节放大器增益和负阻实现Q值可控；OTA-C滤波器的各项指标，包括中心频率、Q值和增益等，均可通过OTA的跨导值和外加电容C的电容值确定，其跨导值可通过外加偏置