有源RC带通滤波器方案及对策.doc

-有源RC带通滤波器设计案一、需要关注的指标：功能指标1.通带带宽(Bandwidth)滤波器通过截止信号的频率界限，一般用绝对频率来表示，也可用中心频率和相对带宽等值来表示。带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz。2.通带纹波(Passband Ripple):把通带波动的最高点和最低点的差值作为衡量波动剧烈程度的参数，即是通带波纹。通带波纹导致对于不同频率的信号放大的增益倍数不同，可能输出信号波形失真。0.巴特沃斯，通带平坦。3.阻带抑制(Stopband Rejection):即对不需要信号的抑制能力，一般希望尽可能大，并在通带围陡峭的下降。通常取通带外与带宽为一定比值的*一频率的衰减值作为此项指标。.4.通带增益(Passband Gain):有用信号通过的能力。无源滤波器产生衰减，有源滤波器可以产生增益。.5.群时延:定义为相位对频率的微分，表征不同频率的信号通过系统时的相位差异。.性能指标：1. 运算放大器的增益带宽积，GBW对于滤波器的性能来讲，起到了至关重要的作用。如果设计得到的GBW较小不满足要求，则滤波器将在高频频段出现增益尖峰。同时为了降低滤波器的整体功耗，GBW又不能选取的太大。根据当前业界对滤波器的研究，这里我们设定GBW为滤波器工作截止频率的50倍。带通滤波器，中心频率200KHz，带宽25KHz="最高截止频率为212.5KHz="GBW至少10.625MHz。2. 电流功耗，主要是单个运放的功耗。例如：带宽为2MHz的有源带通滤波器所采用的的运放，1.8V电源电压下，消耗的电流为310uA，中频电压增益为65dB，增益带宽积GBW为160MHz，相位裕度为55度，驱动负载为100K欧，2pF。本工程电源电压3.3V，GBW至少10.625MHz，负载1M欧，10pF，相位裕度大于80，电流<250uA。3. 共模电平,一般设置为电源电压的一半。考虑到电源电压浮动，按最小电源电压的一半设计，拟设计为1.5V。4. 输入输出差分电压摆幅，最好是满摆幅。5. 噪声，来自电阻和运放，值得注意的是，构成高阶滤波器的各个Biquad位置放置不同，噪声也会不同，适当时候也可以引进全通单元放第一级来抑制噪声(全通还被用来平衡群延时)。6. 线性度，也是滤波器的一个重要的性能性指标，在模拟基带电路中，一般用THD总谐波失真来衡量，也有看输入1dB压缩点的。7. 稳定性，分两种，一种是涉及到振荡的稳定性，需要仔细设计运放，并关注极点和稳定性圆的关系来防止振荡；另外一种是随工艺和温度偏差带来的频率偏移，需要片上自调谐电路来修正。二、设计步骤：1.电路分析:根据所要实现的系统指标、构造特点以及约束条件，来决定所采用的滤波器类型、根本电路构造、传递函数的类型以及阶数等根本参数。有源RC，Thomas Biquad，椭圆函数，4阶。2.曲线逼近理想的滤波器传输函数为矩形窗，而实际滤波器的设计是由不同的有理函数来逼近，均有一定的滚降系数。阶数越大，窗口越陡峭。而不同的滤波器函数则有不同的特点，Butterworth有最正确的带平坦度，而Chebyshev则有较强的阻带衰减。根据系统指标和选定的逼近函数，得到具体的传输函数。4阶巴特沃斯，传输函数：3.电路综合根据曲线逼近所得到的传输函数，采用相应的电路构造，计算相应的元件参数。要注意系统中各种约束条件，以及器件的非理想性对函数曲线的影响。a) 运放设计：本工程电源电压3.3V，GBW至少10.625MHz，负载1M欧，10pF，相位裕度大于80，电流<250uA，共模电平1.5V。输入阻抗尽量大，输出阻抗尽量小。PMOS输入优点：不受sub影响，容易启动，容易做进DNW里，隔离噪声，但是稍微占面积。b) 低通滤波器设计：c) 频率搬移：d) 自调谐系统设计滤波器的中心频率和带宽决定于电路中用到的电阻和电容数值，而集成电路在生产过程中元件可能会偏离设计值，误差可到达20%。为了获得一个准确的频率响应曲线，相应的自动频率调谐电路是必须的选择。调谐系统的工作原理是通过检测调谐系统中RC时间常数的变化，来控制滤波器中的RC时间常数。为了检测的有效性，积分器中的电阻和电容阵列的类型都和滤波器中的一样。如果调谐系统中的RC常数和理想值存在偏差，说明滤波器中的RC常数也存在偏差，从而可通过调谐系统，改变电容阵列的控制码，最终使RC常数到达或最大限度地接近预期值。图6给出了调谐系统框图，主要由积分器、比较器及局部数字单元组成，并给出了电容阵列的具体组成。滤波器中的电容组成式与此保持一致。由于恒跨导构造的作用，可将参考电压Vref转换为电流:该电流通过电流镜复制到电容支路，在充电时钟降临后，对电容充电并到达积分效果，设一个期的积分时间为Tint，则积分电压为:该电压和比较器的参考电压Vref,进展比较，送出"1或"0的判断信号，该信号随即被送入数字单元。数字单元的主要电路包括译码器和计数器，译码器将比较器输出"1译为"00001"，将"0译为"11111(负1的补码)。此后，该5比特信号被送入计数器进展码元改变操作。如果比较器输出为"1"，则会增加5比特控制码的值，从而增加电容阵列的值，使下一个期的积分电压降低，以接近比较器的参考电压。反之，如果比较器输出为"0，则会降低5比特控制码的值，从而会降低电容阵列的值，使下一个期的积分电压增加，以接近参考电压。在进展完每次码元改变后，都会产生一个放电时钟，放掉电容阵列上的电荷，以准备下一次充电和比较等一系列过程。经过假设干期后，可以预计最终的积分电压将接近参考电压，从而调谐回路到达预期精度。经过调谐Rref与C的乘积约等于Tint，最终满足VoVref，完成调谐。为了降低功耗，当调谐过程完毕时，调谐电路将被关闭。4.仿真电路综合后要在仿真软件中进展晶体管级的仿真，得到实际的元件参数，然后再进展幅员设计和后仿真，保证电路在各种工艺角下都能满足指标要求。. z.