有源RC带通滤波器方案与对策

有源RC带通滤波器设计方案

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，并在通带范围内陡峭的下降。通常取通带外与带宽为一定比值的某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。

示例：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。

本项目电源电压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避免振荡；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、结构特点以及约束条件，来决定所采用的滤波器类型、基本电路结构、传递函数的类型以及阶数等基本参数。

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有最佳的带内平坦度，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，采用相应的电路结构，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：

本项目电源电压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。

GNDA

I

R

E

F

25uA

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，误差可达到20%。为了获得一个精确的频率响应曲线，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相同。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常数达到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、比较器及部分数字单元组成，并给出了电容阵列的具体组成。滤波器中的电容组成方式与此保持一致。由于恒跨导结构的作用，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，在充电时钟来临后，对电容充电并达到积分效果，设一个周期内的积分时间为Tint，则积分电压为:

该电压和比较器的参考电压Vref,进行比较，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行码元改变操作。

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，使下一个周期的积分电压降低，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，使下一个周期的积分电压增加，以接近参考电压。在进行完每次码元改变后，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。经过若干周期后，可以预计最终的积分电压将接近参考电压，从而调谐回路达到预期精度。