三種典型的濾波特性和開(kāi)關(guān)電容濾波器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 三種典型的濾波特性和開(kāi)關(guān)電容濾波器三種典型的濾波特性和開(kāi)關(guān)電容濾波器 切比雪夫型低通濾波器的幅頻響應(yīng): 22 1 () 1() n H C 切比雪夫型濾波器以引入通帶起伏為代價(jià)，使過(guò)渡帶 曲線下降的斜率最大化。在給定過(guò)渡帶截止速率的情況下， 切比雪夫?yàn)V波器雖然在通帶內(nèi)的曲線產(chǎn)生了一定幅度的振蕩 ，但是可以用低于巴特沃斯濾波器的階次來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低 了電路的復(fù)雜性和成本。 c / c是-3dB的截止頻率 切比雪夫多項(xiàng)式 2 1 2. 三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較 第1頁(yè)/共23頁(yè) 貝塞爾型低通濾波器的傳遞函數(shù): (0) ( ) ( ) n n B H s Bs 與巴特沃斯型濾波器相比，貝塞爾

2、型濾波器的頻率特 性稍差一些，過(guò)渡帶衰減緩慢，但它在通帶內(nèi)產(chǎn)生接近線性 的相位特性，因而具有良好的瞬態(tài)特性。 0 ( ) n i ni i B sbs n是濾波器的階數(shù) 貝塞爾多項(xiàng)式 (2)! 2!()! i n-i ni b i ni 2. 三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較 第2頁(yè)/共23頁(yè) 3. 三階壓控型低通濾波器的幅頻特性 上述三種類型的濾波器并不是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的電路， 實(shí)際上它們是同一電路在不同參數(shù)配置下得到的不同響應(yīng) 函數(shù)。以三階壓控型LPF為例，電路如圖所示。 三階壓控型低通濾波器 第3頁(yè)/共23頁(yè) 設(shè)截止頻率為1kHz，R=1k， 1 0.13926FC 2 0.35468FC 3 0.

3、02025FC 巴特沃思型低通濾波器幅頻特性的仿真 3. 三階壓控型低通濾波器的幅頻特性 第4頁(yè)/共23頁(yè) 設(shè)截止頻率為1kHz，R=1k， 1 0.30140FC 2 2.6937FC 3 0.01451FC 切比雪夫型低通濾波器幅頻特性的仿真 3. 三階壓控型低通濾波器的幅頻特性 第5頁(yè)/共23頁(yè) 設(shè)截止頻率為1kHz，R=1k， 1 0.05647FC 2 0.08136FC 3 0.01451FC 貝塞爾型低通濾波器幅頻特性的仿真 3. 三階壓控型低通濾波器的幅頻特性 第6頁(yè)/共23頁(yè) 4. 濾波器的瞬態(tài)特性 與濾波器傳遞函數(shù)的相頻特性有關(guān)，瞬態(tài)特性表示 濾波器輸入非正弦波信號(hào)時(shí)的響應(yīng)

4、 濾波器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與頻率有關(guān)的相位偏移，如果相 位與頻率之間是線性關(guān)系，那么濾波器僅使信號(hào)延時(shí)一 個(gè)常量；反之，若相位的變化是非線性的，即不同的頻 率成分有不同的相移，則非正弦信號(hào)通過(guò)這種濾波器時(shí) 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的相位失真。 描述濾波器瞬態(tài)特性的主要參數(shù)有群延遲、階躍響 應(yīng)和沖激響應(yīng)。 濾波器過(guò)渡帶的幅頻特性越陡峭，這種失真越嚴(yán)重。 第7頁(yè)/共23頁(yè) 三種濾波器的沖激響應(yīng) 4. 濾波器的瞬態(tài)特性 第8頁(yè)/共23頁(yè) 開(kāi)關(guān)電容電路由受時(shí)鐘脈沖信號(hào)控制的模擬開(kāi)關(guān)、電 容器和運(yùn)算放大器三部分組成。開(kāi)關(guān)電容電路的特性僅與 各電容器電容量之比的準(zhǔn)確性有關(guān)，而與電容器的精度無(wú) 關(guān)。在集成電路中，可以獲得準(zhǔn)確性很

5、高的電容比。 9.3.1 開(kāi)關(guān)電容模擬電阻 9.3 開(kāi)關(guān)電容濾波器 開(kāi)關(guān)電容模擬電阻時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào) 第9頁(yè)/共23頁(yè) 由兩相時(shí)鐘1和2控制開(kāi)關(guān) S1、S2。 9.3.1 開(kāi)關(guān)電容模擬電阻 基本開(kāi)關(guān)電容電路 模擬開(kāi)關(guān)S1和S2的動(dòng)作規(guī)律 ： S1斷 S2斷 S1通 S2斷 S1斷 S2斷 S1斷 S2通 第10頁(yè)/共23頁(yè) 當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合，S2斷開(kāi)時(shí) ，u1對(duì)C充電。 充電電荷 。 11 QCu 當(dāng)開(kāi)關(guān)S2閉合，S1斷開(kāi)時(shí) ，C放電。 放電電荷 。 22 QCu 設(shè)開(kāi)關(guān)的周期為T(mén)CP，節(jié)點(diǎn)從左到右傳輸?shù)目傠姾蔀椋?12 ()QC uC uu 9.3.1 開(kāi)關(guān)電容模擬電阻 第11頁(yè)/共23頁(yè) 等效電

6、流： 12 CPCP () QC iuu TT 如果時(shí)鐘脈沖的頻率fCP足夠高，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi) 兩個(gè)端口的電壓可認(rèn)為基本不變，則基本開(kāi)關(guān)電容單元就 可以等效為一個(gè)電阻： 12CP CP 1uuT R iCCf 開(kāi)關(guān)電容的優(yōu)點(diǎn)：利用MOS工藝控制開(kāi)關(guān)電容的 大小，即可制作大阻值的電阻，使用的硅片面積只是傳 統(tǒng)工藝的1%左右。 9.3.1 開(kāi)關(guān)電容模擬電阻 第12頁(yè)/共23頁(yè) 兩相時(shí)鐘1和2的頻 率 遠(yuǎn)大于輸入信號(hào) 的頻 率，開(kāi)關(guān)電容單元等效為電 阻： CP f i U CP 1 T R C 2 2CP 1 C RCT C 時(shí)間常數(shù)： 2 PCP 1 1 2 C ff C 通帶截止頻率： 9.3

7、.2 一階RC低通環(huán)節(jié) 第13頁(yè)/共23頁(yè) 2 PCP 1 1 2 C ff C 時(shí)鐘頻率 電容量之比 通帶截止頻率 穩(wěn)定、準(zhǔn)確 當(dāng)時(shí)鐘頻率一定時(shí)，通帶截止頻率取決于電容比，而 與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。集成工藝制作的MOS電容比的精度 優(yōu)于0.01%，溫度系數(shù)小于10ppm/。所以集成開(kāi)關(guān)電容 濾波器的截止頻率準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定性好。 9.3.2 一階RC低通環(huán)節(jié) 第14頁(yè)/共23頁(yè) 一階開(kāi)關(guān)電容濾波器及其等效電路 O 21 u I122 CP 2 11 1 1 UsRC As C UsRsR CC sT C CP 1 1 T R C CP 2 2 T R C 設(shè) , 9.3.3 一階開(kāi)關(guān)電容低通濾波

8、器 第15頁(yè)/共23頁(yè) 9.3.4 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX260 MAX260芯片內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的 二階開(kāi)關(guān)電容濾波單元，每個(gè)濾波 單元的中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q及工 作模式均可由程序設(shè)置。通過(guò)編程 可以設(shè)置64種f0、128個(gè)Q值及四種 工作模式。芯片內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的濾 波單元分別用A、B 表示。 MAX260是美國(guó) MAXIM 公司生產(chǎn)的程控濾波器芯片， 可以通過(guò)微處理器編程控制濾波器的傳遞函數(shù)，不需要外接 元件即可構(gòu)成低通、高通、帶通、帶阻、全通濾波器，簡(jiǎn)化 了有源濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。 MAX260的引腳圖 第16頁(yè)/共23頁(yè) MAX260通過(guò)濾波單元的級(jí)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)四階濾波器 。由MAX2

9、60構(gòu)成的四階帶通濾波器如圖所示。 MAX260構(gòu)成的四階帶通濾波器 9.3.4 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX260 第17頁(yè)/共23頁(yè) MAX260的一組二階濾波單元結(jié)構(gòu): MAX260的濾波單元結(jié)構(gòu) 9.3.4 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX260 第18頁(yè)/共23頁(yè) 在MAX260的濾波單元中，可采用多種方式配置加法放 大器和積分器，實(shí)現(xiàn)不同的濾波功能。該芯片通過(guò)將編程模 式字寫(xiě)入編程內(nèi)存來(lái)選擇工作模式。 模式1： ALP=-1 ABP=-Q ABE1=ABE2=-1 可以構(gòu)成巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾型濾波器，實(shí)現(xiàn) 低通和帶通濾波功能，也可以構(gòu)成二階帶阻濾波器；該模式 與模式4支持高時(shí)鐘頻率。 9.3.4 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX260 第19頁(yè)/共23頁(yè) 模式2： ALP=-0.5 ABP=-0.707Q ABE1=-0.5，ABE2=-1 可以構(gòu)成低通、帶通和帶阻濾波器。與模式1相比，其 主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得更高的Q值和低噪聲輸出。 9.3.4 集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX260 第20頁(yè)/共23頁(yè) 模式3： ALP=-1 ABP=-Q AHP=-1 只有該模式可以構(gòu)成高通濾波器，也可以構(gòu)成低通和 帶通濾波器，其最大輸入時(shí)鐘頻率小于模式1中采用的頻率 。若采用獨(dú)立的運(yùn)算放大器，將模式3的高通輸出和低通輸 出相加，就可以構(gòu)成帶阻濾波器。 9.3.4 集成