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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性相位響應，通帶無紋波、阻帶單調衰減，適合時域應用。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。 設計和實現連續時間有源濾波器非常具有挑戰性，需要使用多個高性能運放和精度很高的無源器件。設計挑戰包括如何選擇最優的濾波器架構，還需要使用專用的濾波器計算軟件2。另一個簡單的方法是使用高度集成的SCF (開關電容濾波器)，SCF可以大大減少外圍元器件數目，使濾波器調諧十分簡單，并可降低系統功耗。本文通過分析如何實現一個連續時間濾波器和一個SCF來說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域應用，因為它們在示波器/分析儀這類測試應用中幾乎沒有失真。但設計者通常需要構建更高階的貝塞爾濾波器(這意味著比巴特沃思或橢圓濾波器的極點更多)來實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行了優化，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仿真工具進行了驗證。 圖1：兩個運放和多個無源元件構成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低(低于幾百kΩ)時。 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行100次Monte Carlo仿真計算的結果。SPICE仿真器通過在標稱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在fC = fIN -3dB ± 0.6dB范圍內變動，這是電容和電阻值在標稱容限內變化引起的。 圖2：5階貝塞爾濾波器SPICE仿真頻響結果。 為在1kHz至15kHz的截止頻率范圍內獲得可以接受的特性(80dB或更好的動態范圍)，設計人員必須使用容限更嚴格、具有更高溫度穩定性的元器件。例如： 1. 對于截止頻率為1kHz至15kHz的濾波器來說，運放在0.5MHz至6.5MHz范圍內必須具有一致的增益，THD+N (總諧波失真 + 噪聲)必須小于0.005%。 2. 電容應該采用精密的陶瓷電容或薄膜電容，而且在很寬的溫度范圍和電壓范圍內必須能夠保持穩定的標稱值。 3. 電阻應該是容限好于±1%的金屬膜電阻，還要具有較低的溫度系數。 4. 為了保證量產性能，元器件最好從可靠的供應商采購，如Panasonic、Rohm、Vishay、Kemet和AVX。 一個5階、截止頻率為1kHz至15kHz的貝塞爾低通濾波器的元器件BOM成本估計在$1.50至$2.00之間(1000套以上價格)。這還不包括設計、測試、PCB布板、組裝、元件采購等花費的時間成本，這些成本難以量化而且與公司有關。關于元器件值變化對高階連續時間濾波器的影響，請參考應用筆記738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。 Maxim提供一種更有效、更簡單的集成開關電容濾波器解決方案，利用一顆芯片即可實現大多數濾波器的效果(應用筆記733：“A Filter Primer”介紹了更多關于SCF的技術細節)。濾波器設計人員僅需一個低成本外部電容或外部時鐘，就可以得到集成、可靠、可預測的高性價比濾波器方案，而且不易受溫度和其它環境參數影響。 圖3和圖4是利用SCF芯片(MAX7409/MAX7413)實現5階低通貝塞爾濾波器的電路原理圖，其中的0.1μF去耦電容可以使用普通的低成本陶瓷電容(材質為X7R或Z5U)，但圖4中的CCLK 推薦使用COG (NPO)材質的電容。 圖3：開關電容濾波器的fC (截止頻率)可以用一個占空比為50% ± 10%的時鐘實現。 圖4：用開關電容濾波器的內部振蕩器設置fC需要在CLK引腳和地之間接一個電容CCLK，當CCLK = 300pF時，fC = 1kHz。 仿真和測試結果(如圖5所示)表明基于MAX7409/MAX7413的開關電容濾波器在通帶內的變化優于基于運放的連續時間濾波器。開關電容濾波器的另一個優點是易于調諧。截止頻率可以通過內部或外部時鐘調整。而對于基于運放的連續時間濾波器而言，改變截止頻率幾乎相當于重新設計濾波器。 圖5：fC = fIN處的開關電容濾波器通帶變化在整個溫度和電壓范圍內僅為-3dB ± 0.4dB。 表1和表2介紹了Maxim數款低功耗、高階開關電容濾波器芯片。 |
