电子系统设计第2讲

1、第2章 模拟滤波器的设计 v2.1 模拟有源滤波器设计 在实际电子系统中，模拟信号中往往包含一些不需要的信号成分，必须设法将其衰减到足够小的程度，或者把有用的信号挑选出来。第2章 模拟滤波器的设计 v2.1 模拟有源滤波器设计 模拟滤波器就是使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过的电路。模拟滤波器分无源滤波器和有源滤波器两种。第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计无源滤波器由无源器件R、C和L组成。无源滤波器的优点：无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。 无源滤波器的缺点：电感L的体积和重量较大，而且滤波效果不理想,带负载能力差。第2章 模拟滤波

2、器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计有源滤波器由R、C和运算放大器构成，在减小体积和减轻重量方面得到显著改善，尤其是运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点可使有源滤波器提供一定的信号增益。第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计有源滤波器的传递函数模型 h(t)X(t)y(t) 第2章 模拟滤波器的设计v 第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计描述滤波器的动态特性的有3种形式：（1）单位冲激响应： x(t)=(t)，y(t)=h(t)（2）传递函数:（3）频率特性: 第2章 模拟滤波器的设计v低通、高通、带通和带阻滤波器的理想幅频特性 0H0)(Hjc0H0)(Hjc0

3、H0)(HjH0H0)(HjHLL第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计滤波器的品质因素Q也称为滤波器的截止特性系数，其值决定了滤波器在附近的频率特性。按照附近频率特性特点，可将滤波器分为巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshew）型、贝塞尔（Bessel）型三种类型。 第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计巴特沃斯滤波器的输出信号幅度随频率增高单调下降，具有最平坦的通带幅频特性，但相移与频率的关系不是很线性，阶跃响应有过冲。第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计贝塞尔滤波器在

4、通带内具有与巴特沃斯滤波器一样的最大平坦特性，相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降较缓慢。第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计切比雪夫滤波器通带内增益有起伏（纹波），与巴特沃斯滤波器和贝塞尔滤波器相比过渡带曲线下降较快。第2章 模拟滤波器的设计v2.1 模拟有源滤波器设计第2章 模拟滤波器的设计v二阶无限增益多重反馈滤波器电路Z1+-AZ2Z3Z5Z4R1+-AR2C1C2R3C1+-AC2R1R2C3（a）基本电路（b）低通滤波器（c）高通滤波器（d）带通滤波器R1+-AC1R2R3C2第2章 模拟滤波器的设计v二阶电压控制电压源滤波器电路Z1+-

5、AZ2Z3Z5Z4RsRfR1+-AC1C2R2RsRfC1+-AR1R2C2RsRfR1+-AR2R3C2C1RsRf（c）高通滤波器（d）带通滤波器（a）基本电路（b）低通滤波器第2章 模拟滤波器的设计v二阶无限增益多重反馈滤波器基本电路的优点是电路有倒相作用，使用元件少，但增益调节对其性能参数会有影响。v二阶电压控制电压源滤波器电路的优点是电路性能稳定，增益容易调节。第2章 模拟滤波器的设计v2.1.2 有源低通滤波器和高通滤波器设计有源滤波器的四大要素 滤波器的电路类型无限增益多重反馈电压控制电压源滤波器的种类高通滤波器低通滤波器带通滤波器+滤波器的近似贝塞尔巴特沃斯切比雪夫+滤波器的

6、阶数2阶1阶3阶+第2章 模拟滤波器的设计v例例1： 二阶无限增益多二阶无限增益多重反馈低通滤波器的设重反馈低通滤波器的设计。假设滤波器的通带计。假设滤波器的通带增益增益A01，截止频率，截止频率fC=3.4kHz，Q为为0.707。第2章 模拟滤波器的设计v传递函数212332112213111111CCRRRRRCssCCRR/)s(H）（第2章 模拟滤波器的设计v与二阶低通滤波器传递函数 相比较得到：2220CCCsQsH)s(H120RRH21321CCRRC3223213221R/RR/RR/RRC/CQ第2章 模拟滤波器的设计v 0202121411AQCn/AQRC）（ 012A

7、RR 212231CCRRC第2章 模拟滤波器的设计v取取n=4Q2（1+A0），上式可进一步简化为：），上式可进一步简化为：02121AQCRC令令2C01CR，可得到滤波器中各项参数的计算公式为，可得到滤波器中各项参数的计算公式为C14Q2（1A0）C2R1R0/（2Q A0）R2= A0R1R3= R0/2Q (1+A0)由此可见，只要确定由此可见，只要确定C2的值，其余的参数可随之确定。的值，其余的参数可随之确定。第2章 模拟滤波器的设计（1）首先决定C2的容量，再根据电容容量，用R0=1/2fCC2公式计算基准电阻R0。选取C2值为2200pF，则基准电阻R01/2fCC221.29

8、k。（2）计算C1的电容值，C14Q2（1A0）C0=8797 pF（3）计算R1的电阻值，R1R0/（2Q A0）15.05 k（4）计算R2的电阻值，R2= A0R115.05 k（5）计算R3的电阻值，R3= R0/2Q (1+A0)7.53 k滤波器中各项参数的具体计算步骤是：第2章 模拟滤波器的设计各电阻、电容取标称值以后滤波器原理图各电阻、电容取标称值以后滤波器原理图第2章 模拟滤波器的设计二阶低通滤波器幅频特性仿真结果二阶低通滤波器幅频特性仿真结果 第2章 模拟滤波器的设计v模拟有源滤波器在使用中的不足：由于元件参数的容差和运算放大器非理想性的影响，实际滤波器的响应很有可能偏离理

9、论上预期滤波器参数易受环境温度影响滤波器带宽不易调整滤波器外围元件多，体积大2.2开关电容滤波器(SCF)Switched Capacitor Filterv开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。开关电容滤波器(SCF)v开关电容网络通过MOSFET开关周期性地作用于MOS电容来模拟电阻，使得开关电容滤波器的时间常数取决于电容的比值而不是RC乘积。因此，开关电容滤波器可以提供稳定的截止频率或中心频率。开关电容滤波器(SCF)v开关电容滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。2

10、.2 开关电容滤波器v1 开关电容电路开关电容电路是根据电荷储存和转移原理而构成的电路。v1 开关电容电路开关电容由两个MOS开关和MOS电容组成。 1和1是不重叠的两相时钟脉冲，因此两只MOS管轮流导通。 2.2 开关电容滤波器 在在t=(n- -1)TC时刻，开关打在左边，时刻，开关打在左边，电容充电至电容充电至v1(t)，其充电量为其充电量为qC(t)=C v1 (n- -1)TC在在(n- -1/2)TC时刻，开关打在右边，时刻，开关打在右边，电容放电至电容放电至v2(t)，电容上电量为，电容上电量为qC(t)=qC (n- -1/2)TC =C v2 (n- -1/ 2)TC在每一个

11、时钟周期在每一个时钟周期TC内，电容上电荷的变化量为内，电容上电荷的变化量为)2/1()1( )(C21CTnvTnvCtqC开关电容电路开关电容电路)2/1(1)(21CCCCCCTnvTnvTCTtqti）（)()(1)()()(2121CtvtvRtvtvTCtiSCCCCSCCfCTR1 从近似平均的角度看，可以把一个从近似平均的角度看，可以把一个TC内由内由v1 (t)送往送往v2(t)的的qC(t)等效为一个平均电流等效为一个平均电流iC(t)，其大小为：，其大小为： 因为时钟脉冲周期因为时钟脉冲周期TC远远小于远远小于v1 (t)和和v2(t)的周期，故在的周期，故在TC内可认为

12、内可认为v1(t)和和v2(t)是恒值。是恒值。开关电容电路开关电容电路第2章 模拟滤波器的设计v2.2 开关电容滤波器用开关电容来模仿电阻用开关电容来模仿电阻 开关电容相当于一个电阻开关电容相当于一个电阻 2.2 开关电容滤波器v1 开关电容电路开关电容能模拟成电阻，解决了模拟集成电路制造中的一个关键问题。因为在集成电路制造过程中，电阻常常受到容差和热漂移所困扰，而且要占据昂贵的芯片面积。 2.2 开关电容滤波器v1 开关电容电路例如，制造一个10M的集成电阻所占硅片衬底面积约为1mm2，而制造一个10M的开关电容模拟电阻，在fC=100kHz时，只要制造1pF的MOS电容，该电容占用的硅片

13、衬底面积只有0.01 mm2。 2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容积分器2121IO1s1CRjCRvv）（）（0/1jjH2101CR2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容积分器用开关电容代替积分器中的电阻开关电容积分器原理图 2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容积分器v结论：电路中没有电阻。特征频率0取决于电容比值，采用现有的技术，很容易就可以达到低至0.1%的比值容差。2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容积分器v结论：特征频率0与时钟频率f CLK成比例，表明开关电容必然是可编程的。改变会在频谱图上使响应上移或下移。另一方面，如果需要一个固定和稳定的特征频率f CLK ，则可用一石英晶体振荡器来产生f CLK 。2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容滤波器（SCF） 2.2 开关电容滤波器v2. 开关电容积分器 2.2 开关电容滤波器v开关电容滤波器使用时基本上不需要外接元件，频率响应函数是固定的，只需要确定其截止频率。v由于滤波器截止频率与时钟频率有一定的比例关系，因此，滤波器的设计任务仅仅是对时钟频率的选择。2.3 集成开关电容滤波器vTLC14巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器（1）低成本、易用；（2）滤波器的截止频