集成方案簡(jiǎn)化模擬濾波器設(shè)計(jì)

　　摘要：本篇應(yīng)用筆記介紹開(kāi)關(guān)電容濾波器用于ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)輸入端抗混疊和降噪以及DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)輸出端信號(hào)重建濾波的優(yōu)勢(shì)?？偨Y(jié)了MAX74xx系列開(kāi)關(guān)電容濾波器相對(duì)連續(xù)時(shí)間有源濾波器的優(yōu)勢(shì)并給出了一些應(yīng)用實(shí)例。

　　模擬濾波器在電子信號(hào)合成系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，可為ADC提供抗混疊和降噪，為DAC提供信號(hào)重建濾波1。不同的設(shè)計(jì)要求需要使用不同的濾波器架構(gòu)，常用的濾波器有貝塞爾、巴特沃思以及橢圓濾波器。

　　貝塞爾低通濾波器具有線(xiàn)性相位響應(yīng)，通帶無(wú)紋波、阻帶單調(diào)衰減，適合時(shí)域應(yīng)用。巴特沃思低通濾波器在通帶內(nèi)具有最平坦的頻響，阻帶的單調(diào)衰減也比貝塞爾濾波器陡峭，但相位響應(yīng)隨頻率非線(xiàn)性變化，這使得巴特沃思低通濾波器非常適合基于幅度的應(yīng)用。而橢圓低通濾波器具有接近平坦的通帶響應(yīng)和極為陡峭的阻帶衰減，是基于幅度的抗混疊應(yīng)用的最佳選擇。

　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間有源濾波器非常具有挑戰(zhàn)性，需要使用多個(gè)高性能運(yùn)放和精度很高的無(wú)源器件。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括如何選擇最優(yōu)的濾波器架構(gòu)，還需要使用專(zhuān)用的濾波器計(jì)算軟件2。另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是使用高度集成的SCF (開(kāi)關(guān)電容濾波器)，SCF可以大大減少外圍元器件數(shù)目，使濾波器調(diào)諧十分簡(jiǎn)單，并可降低系統(tǒng)功耗。本文通過(guò)分析如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)時(shí)間濾波器和一個(gè)SCF來(lái)說(shuō)明其在性能和復(fù)雜程度上的不同。

　　如上所述，貝塞爾濾波器的特性使其非常適合時(shí)域應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑静ㄆ?分析儀這類(lèi)測(cè)試應(yīng)用中幾乎沒(méi)有失真。但設(shè)計(jì)者通常需要構(gòu)建更高階的貝塞爾濾波器(這意味著比巴特沃思或橢圓濾波器的極點(diǎn)更多)來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠大的阻帶衰減。

　　圖1所示原理圖為5階、1.0kHz、低通貝塞爾濾波器，設(shè)計(jì)基于Sallen-Key架構(gòu)，為減少元器件數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)化，使用精度為1%的標(biāo)準(zhǔn)電阻和精度為5%的標(biāo)準(zhǔn)電容。為確定外圍元件值，使用了濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterPro?，并用PSPICE仿真工具進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　圖1：兩個(gè)運(yùn)放和多個(gè)無(wú)源元件構(gòu)成5階、1.0kHz、低通貝塞爾濾波器。

　　許多情況下，輸入和輸出RC濾波器還需要一個(gè)額外的運(yùn)放作緩沖，尤其是當(dāng)信號(hào)源阻抗較高(大于幾百歐)或?yàn)V波器輸出的下一級(jí)輸入阻抗過(guò)低(低于幾百kΩ)時(shí)。

　　貝塞爾濾波器的SPICE仿真結(jié)果如圖2所示，該頻響圖是同一濾波器進(jìn)行100次Monte Carlo仿真計(jì)算的結(jié)果。SPICE仿真器通過(guò)在標(biāo)稱(chēng)容限范圍內(nèi)隨機(jī)改變外圍元件值模擬器件的差異，仿真結(jié)果揭示截止頻率會(huì)在fC = fIN -3dB ± 0.6dB范圍內(nèi)變動(dòng)，這是電容和電阻值在標(biāo)稱(chēng)容限內(nèi)變化引起的。

　　圖2：5階貝塞爾濾波器SPICE仿真頻響結(jié)果。