用开关电容电路技术实现的七阶椭圆函数滤波器

1、第13卷第45期1998年3月郑州轻工业学院学报JOURNALOFZHENGZHOUINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY.13No.45VolMar.1998用开关电容电路技术实现的七阶椭圆函数滤波器孙向东王季方马司伟(郑州轻工业学院控制工程系郑州450002)摘要利用开关电容电路技术,提出了七阶椭圆函数滤波器的设计.在工作站上通过了.该设计有望成为集成电路芯片上的子系统.PSPICE程序的仿真设计关键词滤波器;椭圆函数;模拟集成电路;计算机辅助设计;开关电容中图分类号TN431110引言发送低通滤波器是组成发送信道的关键部件,整个发送信道的频率特性主要由它确定.为了得到准确而稳定

2、的特性,笔者采用了开关电容滤波器,时钟频率为8MHz,用集成滤波器代替RLC滤波器,通过了电路设计与仿真设计,确定了该滤波器技术条件下电路元件参数的合理取值,在满足使用性能的基础上降低了对元件制造的要求.1技术要求及参数选择该低通滤波器的技术要求为:1)3dB截止频率为800kHz;2)在1MHz处衰减50dB;3)通带内纹波1dB以下;4)电路中运算放大器增益和带宽尽可能低,VI(S便于实现;5)开关频率尽可能低,便于实现.因此,选用七阶椭圆函数滤波器,能够满足要求.RLC原型电路见图1.归一化参数选择为s=11236AdB=5618C3=11648C7=019391C4=017351L2=

3、11239L2C1C3L4L6C5C7R0图1七阶RLC椭圆函数滤波器C1=11213C5=11450C2=011471C6=015211L4=018648L6=019163本文收到日期:1996204204男,37岁,讲师© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.46郑州轻工业学院学报1998年实参选择为R0=1k8C1=FC22×800000×1000C3=FC42×800000×1000C5=FC62×800000×

4、1000C7=FL22×800000×1000L4=HL62×800000=F2×800000×1000F2×800000×1000F2×800000×1000H2×800000H2×8000002公式推导根据上述原型电路,利用开关电容电路的灵活设计特性,构成仅由开关电容、运算放大器组成的滤波器,易于实现集成.其中,用电容积分器来代替电感积分器.其节电电压方程推导如下:对节点“”I0-I2-SC1V1-SC2(V1-V2)=0即V1=2+C1+C2S(C1+C2)对节点“”I2-I4-

5、SC3V2-SC4(V2-V3)-SC2(V2-V1)=0即V2=1+3+C2+C3+C4C2+C3+C4S(C2+C3+C4)对节点“”I4-I6-SC5V3-SC6(V3-V4)-SC4(V3-V2)=0即V3=2+4+C4+C5+C6C4+C5+C6S(C4+C5+C6)对节点“”I6-I8-SC7V4-SC6(V4-V3)=0即V4=3+C6+C7S(C6+C7)为方便电路构成,令V2=-V2,V4=-V4则上述4式分别为V1=-2+C1+C2S(C1+C2)V2=-1-3+C2+C3+C4C2+C3+C4S(C2+C3+C4)V3=-2-4+C4+C5+C6C4+C5+C6S(C4+

6、C5+C6)V4=-3+C6+C7S(C6+C7)各电流的表达式为I0=I2=I4=-R0SL2SL2SL4SL4I6=SL6=SL6I8=-R0R03构成开关电容滤波器开关电容电路图见图2.其参数确定如下:© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第45期孙向东等:用开关电容电路技术实现的七阶椭圆函数滤波器47V2=-V2V4=-V466V2(s)24157.55s55CsCsCsCCs55sCsCsCL2CL4CL6图2七阶椭圆函数滤波器的开关电容电路图1)电容参数(2

7、5;800000×1000)FC12=C1+C2=(11213+011471)(2×800000×1000)FC2=C2=011471(2×800000×1000)FC234=C2+C3+C4=(011471+11648+017351) (2×800000×1000)FC4=C4=017351(2×800000×1000)FC456=C4+C5+C6=(017351+11450+015211) (2×800000×1000)FC6=C6=015211(2×800000

8、5;1000)FC67=C6+C7=(015211+019391)2(2×800000×1000)FCL2=L2 R0=112392(2×800000×1000)FCL4=L4 R0=0186482(2×800000×1000)FCL6=L6 R0=019163Cs=01125nF(开关电容值)2)开关频率采用输出与输出信号的时间差为Tc 2,且占空比为50,fc=8MHz.4电路模型的分析及仿真4.1运算放大器子电路选C1=015pF,RA=0101k8,gmO=0.5,gmA=-1,CA=50nF,R0=1k8.则运算放大)MHz

9、器的直流增益为5000,带宽为(1 .© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.48郑州轻工业学院学报1998年4.2开关电容基本单元子电路开关电容基本单元及连续时间等效电路见图3.图3(d),3(e),3(f)分别为3(a),3(b),2sin3(c)的连续时间等效电路,C1=,C=,R2=,122Cs2sin2sinR1=,R2=-R2,R1=Cs(cos-1)Cs(cos+1)22VI.CSVOVI.CSVOVI1.CSVO.(a)VI2.(c)(b)VI1.VOR1R2C1

10、R21R1.VI1R1VOVI.R11VOVI2.R1.(d).(e)C111(f)图3开关电容基本单元及连续时间等效电路4.3频变电阻对开关电容电路精度影响的分析附表节点VdB(29)输出结果在开关电容电路中,主要由运算放大频率响应频率器、电容器及开关电1.000E+04-6.044E+001.000E+05容所构成,因此,R21.096E+04-6.044E+002.089E+052.089E+04-6.045E+003.020E+05对精度的影响最为明3.020E+04-6.047E+004.365E+05显.当=(2×4.365E+04-6.049E+005.248E+058

11、00000)50000005.248E+04-6.051E+006.310E+05时,取fc=5MHz,6.310E+04-6.054E+007.586E+057.586E+04-6.059E+008.318E+05则G2=G0+G0.248.318E+04-6.061E+009.120E+05据此,fc不应低于59.120E+04-6.064E+001.000E+06MHz,最好是8MHz以上.笔者曾采用fc=20MHz进行模拟,效果接近理想情况,但设备要求显然较高.4.4仿真程序(略)及结果仿真结果参阅附表.响应-6.068E+00-6.104E+00-6.103E+00-6.140E+0

12、0-6.190E+00-6.092E+00-1.004E+01-2.642E+01-4.317E+01-6.777E+01© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第45期孙向东等:用开关电容电路技术实现的七阶椭圆函数滤波器495电容参数的优化由于MOS电容在制造工艺下通常低于100pF,因此可在原分析的基础上,将各参数值同时作用某一因子,使各个电容值及容值比易于实现,且不会影响原电路特性.该因子取为1 20.6结论本文所讨论的开关电容七阶椭圆滤波器的仿真设计和调试结果表明,在小信

13、号输入情况下确定的各器件的低限要求,为电路的实现提供了保证.笔者将在下一段研究工作中,采用一种新的运算放大器宏模型,来研究大信号情况下该滤波器的电特性,并研究饱和输出及摆率的影响.参考文献1董在望,尹达衡.模拟集成电路原理与系统.北京:高等教育出版社,1987.1312452陆明达.开关电容滤波器的原理与设计.北京:高等教育出版社,1986.711803陆跃.开关电容网络.成都:电子科技大学出版社,1989.36200DESIGNOFSEVEN2STAGESELLIPTICFUNCTIONFILTERUSINGSWITCH2CAPACITANCECIRCUITTECHNOLOGYSunXiangdongWangJifangMaSiweiABSTRACTAdesignofseven2stagesellipticfunctionfilterusingswitch2capacitancecircuittechnolo2gyisgiven.ThisdesignpastthroughemulationbyPSPICEprogramatcomputerandmaybebecomeasub2systemonsilicon.Keywordsfiltere