集成电路设计2课件

1、电子信息学院有源滤波器的设计李 玲什么是模拟滤波器? 模拟滤波器就是使得特定频率范围内的信号顺利通过, 而阻止其它频率通过的电路。模拟滤波器分类：1、无源滤波器：由无源器件R、C、L构成。 缺点：在较低频率下工作时，电感L体积和重量 较大，而且滤波效果不理想。2、有源滤波器：由R、C和运算放大器构成。 优点：体积小、重量轻。高输入阻抗高，低输出 阻抗，可以获得一定的增益。被广泛应用。模拟有源滤波器 2滤波器的种类 有源滤波器按幅频特性可分为低通、高通、带通和带阻4种类型。 （1）低通滤波器（lowpass filter）：低于截止频率fc的频率可以通过，高频率成份被滤掉。（2）高通滤波器（hi

2、ghpass filter）：高于截止频率fc的频率可以通过，低频成份被滤掉。2滤波器的种类（3）带通滤波器（bandpass filter）：只有高于fL低于fH的频率可以通过，其它成份均被滤掉。（4）带阻滤波器（bandreject filter）：在fL与fH之间的频率被滤掉，其它成份均可以通过。作为特例，只有特定频率成分可以通过的滤波器被称为陷波滤波器（notch filter）。类 型传 递 函 数性 能 参 数低通H0：任意增益因子C：低通、高通滤波器截止角频率0 ：带通、带阻中心频率Q：品质因素高通带通带阻3滤波器的阶数和特性滤波器的主要参数：1、特性阻抗：(假定高频应用,采用5

3、0欧姆)2、中心频率: 主要对带通或带阻来言, 是他们两边 f3db频率的几何平均SQRT(fl*Fh)3、截至频率: fc值loss达到3dB时的频率 4、带宽: 主要对带通或带阻来言 5、衰减量: 离fc多少频率处衰减量为多少的值 6、通带内平坦度: 通带内插损变化量, 这个特性对数字通信影响较大, 平坦性差易引起误码3滤波器的阶数和特性 滤波器的截止特性是由它本身的阶数和各级常量的选择方法所决定的。 有源滤波器的阶数是由时间常数要素的数目来区分的。在阶数相同的情况下，滤波器时间常数设定不同也会使滤波器的特性不同。 滤波器的品质因数Q也称为滤波器的截至特性系数，其值决定了滤波器组f=f0附

4、近的频率特性。 按照f=f0附近频率特性的特点，可将滤波器分为三种类型：巴特沃思（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、贝塞尔（Bessel）。4滤波器的电路结构无限增益多重反馈滤波器电路 典型滤波器的设计 例1 二阶无限增益多重反馈低通滤波器的设计。假设滤波器的通带增益A01，截止频率fC=3.4kHz，Q为0.707。电路结构传递函数比较 与 代入Q的表达式令C1=nC2 ，A0=则取n=4Q2（1+A0），上式可进一步简化为：令，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，

5、只要确定C2的值，其余的参数可随之确定。（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R01/2fCC221.29k。（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二阶低通滤波器幅频特性仿真结果 例2 二阶无限增益多重反馈高通滤波器的设计。设滤波器通带增益A01，截止频率fc=300Hz，Q为0.707。各电阻、电容取标

6、称值以后滤波器原理图二阶高通滤波器幅频特性仿真结果 连续时间系统和离散时间系统 方框代表一个系统，该系统可以是线性的或非线性的，也可以是处理连续时间（模拟）信号的连续时间系统或处理离散信号的离散时间系统。模拟电子系统就是典型的连续时间系统。数字电子系统就是典型的离散时间系统。开关电容滤波器 抽样数据处理系统x=x(nT)，y=y(nT) 抽样数据输入和输出信号通常表示成离散变量nT的函数。 抽样数据信号只在离散瞬时改变，因此，属于离散时间系统。 连续信号在离散瞬时间nT（n=0，1，2，）下抽样就得到抽样数据信号，用x=(nT)表示，T为抽样周期。 抽样数据处理系统：处理抽样数据信号的系统称为

7、抽样数据处理系统。 开关电容滤波器抽样数据电路 抽样数据电路处理的是抽样信号，即时间离散而幅度连续的信号，它是一种离散时间电路，所以其基本单元与数字电路类似，但因它所处理的信号没有量化，所以不会产生量化噪声。 抽样数据电路主要有三种类型：开关电容滤波器电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）开关电容电路（SC，Switched Capacitor Circuits）开关电流电路（SI，Switched Current Circuits）用开关电容来模仿电阻 开关电容相当于一个电阻 开关电容滤波器原理分析 开关电容滤波器 在t=(n-1)TC时刻，开关打在左边，电容充电

8、至v1(t)，其充电量为qC(t)=C v1 (n-1)TC 在(n-1/2)TC时刻，开关打在右边，电容放电至v2(t)，电容上电量为qC(t)=qC (n-1/2)TC=C v2 (n-1/ 2)TC 在每一个时钟周期TC内，电容上电荷的变化量为开关电容滤波器 从近似平均的角度看，可以把一个TC内由v1 (t)送往v2(t)的qC(t)等效为一个平均电流iC(t)，其大小为： 因为时钟脉冲周期TC远远小于v1 (t)和v2(t)的周期，故在TC内可认为v1(t)和v2(t)是恒值。开关电容滤波器 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

9、常受到容差和热漂移所困扰，而且要占据昂贵的芯片面积。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，该电容占用的硅片衬底面积只有0.01 mm2。开关电容滤波器模拟积分器开关电容滤波器用开关电容代替积分器中的电阻当C时,由vI流向求和节点的电流就可以认为是连续的。开关电容滤波器开关电容积分器结论： 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。 特征频率0与时钟频率fC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

10、固定和稳定的特征频率f0，则可用一石英晶体振荡器来产生fC。电路中没有电阻。开关电容滤波器有源双二阶滤波器开关电容滤波器SC双二阶滤波器开关电容滤波器单片集成滤波器 单片集成滤波器大都是SCF。原因是它的时间常数取决于电容化集成工艺，可实现高精度和高稳定度的电容比。 单片集成SCF较具代表性的产品主要有美国Linear Technology（凌特）公司生产的通用型（可组合为低通、带通、高通等）和低通SCF两类。通用型SCF主要有：LTC1059（2阶）、LTC1060（4阶）、LTC1061（6阶）、LTC1064（8阶）等。低通SCF主要有：LTC1062/1063（5阶）、LTC1064（8阶）。开关电容滤波器开关电容滤波器TLC14巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器 （1）低成本、易用；（2）滤