集成方案簡(jiǎn)化模擬濾波器設計

　　摘要：本篇應用筆記介紹開(kāi)關(guān)電容濾波器用于A(yíng)DC (模數轉換器)輸入端抗混疊和降噪以及DAC (數模轉換器)輸出端信號重建濾波的優(yōu)勢?？偨Y了MAX74xx系列開(kāi)關(guān)電容濾波器相對連續時(shí)間有源濾波器的優(yōu)勢并給出了一些應用實(shí)例。

　　模擬濾波器在電子信號合成系統中應用廣泛，可為ADC提供抗混疊和降噪，為DAC提供信號重建濾波1。不同的設計要求需要使用不同的濾波器架構，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，通帶無(wú)紋波、阻帶單調衰減，適合時(shí)域應用。巴特沃思低通濾波器在通帶內具有最平坦的頻響，阻帶的單調衰減也比貝塞爾濾波器陡峭，但相位響應隨頻率非線(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用。而橢圓低通濾波器具有接近平坦的通帶響應和極為陡峭的阻帶衰減，是基于幅度的抗混疊應用的最佳選擇。

　　設計和實(shí)現連續時(shí)間有源濾波器非常具有挑戰性，需要使用多個(gè)高性能運放和精度很高的無(wú)源器件。設計挑戰包括如何選擇最優(yōu)的濾波器架構，還需要使用專(zhuān)用的濾波器計算軟件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目，使濾波器調諧十分簡(jiǎn)單，并可降低系統功耗。本文通過(guò)分析如何實(shí)現一個(gè)連續時(shí)間濾波器和一個(gè)SCF來(lái)說(shuō)明其在性能和復雜程度上的不同。

　　如上所述，貝塞爾濾波器的特性使其非常適合時(shí)域應用，因為它們在示波器/分析儀這類(lèi)測試應用中幾乎沒(méi)有失真。但設計者通常需要構建更高階的貝塞爾濾波器(這意味著(zhù)比巴特沃思或橢圓濾波器的極點(diǎn)更多)來(lái)實(shí)現足夠大的阻帶衰減。

　　圖1所示原理圖為5階、1.0kHz、低通貝塞爾濾波器，設計基于Sallen-Key架構，為減少元器件數目進(jìn)行了優(yōu)化，使用精度為1%的標準電阻和精度為5%的標準電容。為確定外圍元件值，使用了濾波器設計軟件FilterPro?，并用PSPICE仿真工具進(jìn)行了驗證。

　　圖1：兩個(gè)運放和多個(gè)無(wú)源元件構成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)額外的運放作緩沖，尤其是當信號源阻抗較高(大于幾百歐)或濾波器輸出的下一級輸入阻抗過(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仿真計算的結果。SPICE仿真器通過(guò)在標稱(chēng)容限范圍內隨機改變外圍元件值模擬器件的差異，仿真結果揭示截止頻率會(huì )在fC = fIN -3dB ± 0.6dB范圍內變動(dòng)，這是電容和電阻值在標稱(chēng)容限內變化引起的。

　　圖2：5階貝塞爾濾波器SPICE仿真頻響結果。