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字体符合设计(数字滤波器设计原理)

admin 12-02 17:01 261次浏览

模拟滤波器广泛应用于电子信号合成系统,可以为模数转换器提供抗混叠和降噪功能,为数模转换器提供信号重构滤波功能。不同的设计要求需要不同的滤波器架构。常用的滤波器包括贝塞尔滤波器、稳定蓝天滤波器和椭圆滤波器。

贝塞尔低通滤波器相位响应线性,通带无纹波,阻带单调衰减,适合时域应用。稳态蓝天低通滤波器在通带内具有最平坦的频率响应,阻带的单调衰减比贝塞尔滤波器更陡,但相位响应随频率非线性变化,这使得稳态蓝天低通滤波器非常适合基于幅度的应用。椭圆低通滤波器具有近乎平坦的通带响应和极陡的阻带衰减,是基于幅度的抗混叠应用的最佳选择。

设计和实现连续时间有源滤波器非常具有挑战性,需要使用多个高性能运算放大器和高精度无源器件。设计挑战包括如何选择最佳滤波器架构,还需要使用专门的滤波器计算软件。另一种简单的方法是使用高度集成的SCF(开关电容滤波器),这可以大大减少外围元件的数量,使滤波器调谐非常简单,并降低系统的功耗。本文分析了如何实现连续时间滤波器和SCF,以说明性能和复杂性的差异。

如上所述,贝塞尔滤波器的特性使其非常适合时域应用,因为它们在示波器/分析仪等测试应用中几乎没有失真。然而,稳定的地球通常需要构建更高阶的贝塞尔滤波器(这意味着比稳定的蓝天或椭圆滤波器更多的极点)来实现足够的阻带衰减。

图1所示的原理图是一个5阶1.0kHz低通贝塞尔滤波器。该设计基于Sallen-Key架构,该架构经过优化以减少元件数量,使用精度为1%的标准电阻和精度为5%的标准电容。为了确定外围元件的值,使用滤波器设计软件FilterPro,并通过PSPICE仿真工具进行验证。

图1。由两个运算放大器和多个无源元件组成的五阶1.0kHz低通贝塞尔滤波器

在许多情况下,输入和输出RC滤波器还需要一个额外的运算放大器作为缓冲器,尤其是当信号源的阻抗很高(超过几百欧姆)或滤波器输出的下一级输入阻抗太低(低于几百k)时。

贝塞尔滤波器的SPICE仿真结果如图2所示,频率响应图是同一滤波器对甜瓜进行100次Monte-backward仿真计算的结果。SPICE模拟器通过在标称公差范围内随机改变外围元件的值来模拟器件的差异。仿真结果表明,在FC=fin-3db0.6 dB范围内,截止频率会发生变化,这是由标称容差范围内电容和电阻值的变化引起的。

图2。五阶贝塞尔滤波器的SPICE仿真频率响应结果

为了在1千赫至15千赫的截止频率范围内获得可接受的特性(80dB或更好的动态范围),设计人员必须使用公差更严格、温度稳定性更高的元件。示例:

对于截止频率为1千赫至15千赫的滤波器,运算放大器必须在0.5兆赫至6.5兆赫范围内具有一致的增益,总谐波失真噪声必须小于0.005%。

应使用精密陶瓷电容器或薄膜电容器作为电容器,并且它们必须能够在宽温度范围和电压范围内保持稳定的标称值。

电阻应为金属薄膜电阻,公差优于1%,温度系数低。

为了确保大规模生产的性能,组件应该从可靠的供应商处购买,如松下、罗门、维希、凯美特和AVX。

截止频率为1千赫至15千赫的五阶贝塞尔低通滤波器的组件物料清单成本估计在1.50美元至2.00美元之间(超过1000套)。这还不包括设计、测试、PCB布局、组装、元器件采购等的时间成本。这些成本很难量化,并且与公司有关。有关元件值变化对高阶连续时间滤波器的影响,请参见应用笔记738:“最小化单运算放大器滤波器中的元件变化灵敏度”。

Maxim提供了一种更有效、更简单的集成开关电容滤波器解决方案,可以用一个芯片实现大部分滤波效果(应用笔记733:“一个滤波器入门”介绍了更多关于SCF的技术细节)。滤波器设计人员只需一个低成本的外部电容或外部时钟,即可获得一个集成、可靠且可预测的高性价比滤波器方案,该方案不易受温度和其他环境参数的影响。

图3和图4是由SCF芯片(MAX7409/MAX7413)实现的五阶低通贝塞尔滤波器的电路原理图,其中0.1 F去耦电容可以使用普通的低成本陶瓷电容(由X7R或Z5U制成),但图4中的CCLK推荐COG (NPO)电容。

图3。开关电容滤波器的fC(截止频率)可以通过占空比为50% 10%的时钟来实现。

图4。用开关电容滤波器的内部振荡器设置fC需要在CLK引脚和地之间连接一个电容CCLK。当CCLK=300pF时,fC=1kHz。

仿真结果(如图5所示)表明,基于MAX7409/MAX7413的开关电容滤波器在通带上的变化优于基于运算放大器的连续时间滤波器。开关电容滤波器的另一个优点是易于调谐。截止频率可以通过内部或外部时钟进行调整。对于基于运算放大器的连续时间滤波器,改变截止频率几乎等同于重新设计滤波器。

图5。在整个温度和电压范围内,开关电容滤波器在FC=fin时的通带变化仅为-3db0.4 dB。

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