9-2 三种典型的滤波特性和开关电容滤波器.ppt

《9-2 三种典型的滤波特性和开关电容滤波器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《9-2 三种典型的滤波特性和开关电容滤波器.ppt（24页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1.滤波特性滤波特性 滤波器的设计目标滤波器的设计目标是根据不同的实际要求，实现其最是根据不同的实际要求，实现其最佳的近似理想特性。佳的近似理想特性。9.2.8 三种典型的滤波特性三种典型的滤波特性 巴特沃斯巴特沃斯特性曲线特性曲线 每一种滤波器每一种滤波器(LPF、HPF、BPF、BEF)都能通过改变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。贝塞尔特性曲线相对应的滤波特性。切比雪夫切比雪夫特性曲线特性曲线 贝塞尔贝塞尔特性曲线特性曲线2.三种频率响应函数的比较三种频率响应函数的比较 巴特沃思

2、型低通滤波器巴特沃思型低通滤波器的幅频响应的幅频响应: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，巴特沃思滤波器滤波器具有最大平坦特性具有最大平坦特性，其阶数，其阶数n越高，滤波响应曲线越越高，滤波响应曲线越逼近理想模型。逼近理想模型。c是是-3dB的截止频率的截止频率n是滤波器的阶数是滤波器的阶数 是决定最大通带起伏量的常数是决定最大通带起伏量的常数 切比雪夫型低通滤波器切比雪夫型低通滤波器的幅频响应的幅频响应:切比雪夫型滤波器切比雪夫型滤波器以

3、引入通带起伏为代价，使过渡带曲以引入通带起伏为代价，使过渡带曲线下降的斜率最大化线下降的斜率最大化。在给定过渡带截止速率的情况下，切。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，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。电路的复杂性和成本。c是是-3dB的截止频率的截止频率切比雪夫多项式切比雪夫多项式 2 12.三种频率响应函数的比较三种频率响应函数的比较 贝塞尔型低通滤波器贝塞尔型低通滤波器的传递函数的传递函数:与巴特沃

4、斯型滤波器相比，贝塞尔型滤波器的频率特性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，但它稍差一些，过渡带衰减缓慢，但它在通带内产生接近线性的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相位特性，因而具有良好的瞬态特性。n是滤波器的阶数是滤波器的阶数贝塞尔多项式贝塞尔多项式2.三种频率响应函数的比较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，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同一电路在不同参数

5、配置下得到的不同响应函数函数。以三阶压控型。以三阶压控型LPF为例，电路如图所示。为例，电路如图所示。三阶压控型低通滤波器三阶压控型低通滤波器设截止频率为设截止频率为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三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为设截止频率为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三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为设截止频率为1kHz，R=1k，贝塞尔型低通滤波器幅频特性的仿真贝塞尔型低通滤波器幅频特性

6、的仿真3.三阶压控型低通滤波器的幅频特性三阶压控型低通滤波器的幅频特性 4.滤波器的瞬态特性滤波器的瞬态特性与滤波器传递函数的相频特性与滤波器传递函数的相频特性有关，有关，瞬态特性瞬态特性表示表示滤波器滤波器输入非正弦波信号时的响应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率成分有不同的

7、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。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描述滤波器瞬态特性的主要参数有群延迟群延迟、阶跃响阶跃响应应和和冲激响应冲激响应。滤波器过渡带的幅频特性越陡峭，这种失真越严重。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三种滤波器的冲激响应4.滤波器的瞬态特性滤波器的瞬态特性 开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关模拟开关、电电容器容器和和运算放大器运算放大器三部分组成。开关电容电路的特性仅与三部分组成。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

8、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。关。在集成电路中，可以获得准确性很高的电容比。9.3.1 开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻9.3 开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻时钟驱动信号时钟驱动信号由两相时钟由两相时钟 1和和 2控制开关控制开关S1、S2。9.3.1 开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻基本开关电容电路基本开关电容电路模拟开关模拟开关S1和和S2的动作规律的动作规律：S1断断 S2断断 S1通通 S2断断 S1断断 S2断断 S1断断 S2通通 当开关当开关S1闭合，闭合，S2断开时，断开时，u1对对

9、C充电。充电。充电电荷充电电荷 。当开关当开关S2闭合，闭合，S1断开时，断开时，C放电。放电。放电电荷放电电荷 。设开关的周期为设开关的周期为TCP，节点从左到右传输的总电荷为，节点从左到右传输的总电荷为：9.3.1 开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻等效电流：等效电流：如果时钟脉冲的频率如果时钟脉冲的频率fCP足够高，在一个时钟周期内两足够高，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：以等效为一个电阻：开关电容的优点开关电容的优点：利用：利用MOS工艺控制开关电容的大工艺控制开关电容的大小，即可制作

10、大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传统小，即可制作大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传统工艺的工艺的1%左右。左右。9.3.1 开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻两相时钟两相时钟 1和和 2的频率的频率 远大于输入信号远大于输入信号 的频的频率，开关电容单元等效为电率，开关电容单元等效为电阻：阻：时间常数：时间常数：通带截止频率：通带截止频率：9.3.2 一阶一阶RC低通环节低通环节时钟频率时钟频率电容量之比电容量之比通带截止频率通带截止频率稳定、准确稳定、准确 当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比，而与，而与电容的绝对值无关。集成工艺制作的电容的绝对

11、值无关。集成工艺制作的MOS电容比的精度优电容比的精度优于于0.01%，温度系数小于，温度系数小于10ppm/。所以。所以集成开关电容滤波集成开关电容滤波器的器的截止频率准确度高且稳定性好。截止频率准确度高且稳定性好。9.3.2 一阶一阶RC低通环节低通环节一阶开关电容滤波器及其等效电路一阶开关电容滤波器及其等效电路设设 ,9.3.3 一阶开关电容低通滤波器一阶开关电容低通滤波器9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260 MAX260芯片内含两个独立的二芯片内含两个独立的二阶开关电容滤波单元，每个滤波单阶开关电容滤波单元，每个滤波单元的元的中心频率中心频率f0、品质因数品质因

12、数Q及及工作工作模式模式均可由程序设置。通过编程可均可由程序设置。通过编程可以设置以设置64种种f0、128个个Q值及四种工作值及四种工作模式。芯片内部两个独立的滤波单模式。芯片内部两个独立的滤波单元分别用元分别用A、B 表示。表示。MAX260是美国是美国 MAXIM 公司生产的公司生产的程控滤波器程控滤波器芯片，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。了有源滤波器的设计过程。MAX260的引脚图

13、的引脚图 MAX260通过滤波单元的级联通过滤波单元的级联，可以，可以实现四阶滤波器实现四阶滤波器。由由MAX260构成的四阶带通滤波器如图所示。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构成的四阶带通滤波器9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260MAX260的一组二阶滤波单元结构的一组二阶滤波单元结构:MAX260的滤波单元结构的滤波单元结构9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260 在在MAX260的滤波单元中，可采用多种方式配置加法放的滤波单元中，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大器和积

14、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。式字写入编程内存来选择工作模式。模式模式1：ALP=-1ABP=-QABE1=ABE2=-1 可以构成巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔型滤波器，可以构成巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔型滤波器，实现实现低通和带通滤波功能低通和带通滤波功能，也可以，也可以构成二阶带阻滤波器构成二阶带阻滤波器；该模式；该模式与模式与模式4支持高时钟频率。支持高时钟频率。9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260模式模式2：ALP=-0.5ABP=-0.707QABE1=-0.5，ABE2=-1 可以可以构成低通、带通和带阻滤波器构成

15、低通、带通和带阻滤波器。与模式。与模式1相比，其相比，其主要优点在于能够获得更高的主要优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。值和低噪声输出。9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260模式模式3：ALP=-1ABP=-QAHP=-1 只有该模式可以只有该模式可以构成高通滤波器构成高通滤波器，也可以，也可以构成低通和带构成低通和带通滤波器通滤波器，其最大输入时钟频率小于模式，其最大输入时钟频率小于模式1中采用的频率。中采用的频率。若采用独立的运算放大器，若采用独立的运算放大器，将模式将模式3的高通输出和低通输出的高通输出和低通输出相加，就可以构成带阻滤波器相加，就可以构成带阻滤波器。9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260模式模式4：ALP=-2ABP=-2QAAP=-1 仅有此模式仅有此模式提供全通滤波器输出提供全通滤波器输出方式，也能提供低通方式，也能提供低通和带通输出；该模式为最快的工作方式，但也应当注意此和带通输出；该模式为最快的工作方式，但也应当注意此模式下的模式下的f0和和Q值具有四种模式中最大的取样误差。值具有四种模式中最大的取样误差。9.3.4 集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器MAX260