集成电路原理及应用课件.ppt
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- 集成电路 原理 应用 课件
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1、2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院1第第6章章 集成有源滤波器集成有源滤波器6.1 概述概述6.2 低通滤波器低通滤波器6.3 高通滤波器高通滤波器6.4 带通滤波器带通滤波器6.5 带阻滤波器带阻滤波器6.6 开关电容滤波器和状态变量滤波器开关电容滤波器和状态变量滤波器6.7 可编程滤波器可编程滤波器2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院26.1 概概 述述6.1.1 滤波器的分类滤波器的分类6.1.2 集成有源滤波器的特点集成有源滤波器的特点6.1.3 典型滤波器的传递函数典型滤波器的传递函数6.1.4 传递函数的
2、幅度近似传递函数的幅度近似6.1.5 有源滤波器的设计步骤有源滤波器的设计步骤2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院36.1.1 滤波器的分类滤波器的分类(1)按按元件元件有源滤波器有源滤波器无源滤波器无源滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器晶体滤波器 机械滤波器机械滤波器锁相环滤波器锁相环滤波器开关电容滤波器等。开关电容滤波器等。1.滤波器的分类滤波器的分类(2)按按信号处理方式信号处理方式模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器(3)按按通频带通频带 低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器等。带阻滤波器等。(4)还有
3、一些还有一些特殊滤波器特殊滤波器 线性相移滤波器线性相移滤波器 时延滤波器时延滤波器 音响中的计权网络滤波器音响中的计权网络滤波器 电视机中的中放声表面波电视机中的中放声表面波滤波器等。滤波器等。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院42.有源滤波器的分类有源滤波器的分类(1)按按通频带通频带分类,分类,可分为:低通滤波器(可分为:低通滤波器(LPF)高通滤波器(高通滤波器(HPF)带通滤波器(带通滤波器(BPF)带阻滤波器(带阻滤波器(BEF)等。)等。(2)按按通带滤波特性通带滤波特性分类,分类,可分为:最大平坦型(巴特沃兹型)滤波器、可分为:最大平坦型
4、(巴特沃兹型)滤波器、等波纹型(契比雪夫型)滤波器、等波纹型(契比雪夫型)滤波器、线性相移型(贝塞尔型)滤波器等。线性相移型(贝塞尔型)滤波器等。(3)按按运放电路的构成运放电路的构成分类,分类,可分为:无限增益单反馈环型滤波器、可分为:无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、压控电源型滤波器、负阻变换器型滤波器、负阻变换器型滤波器、回转器型滤波器等。回转器型滤波器等。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院53.各种滤波器的幅频特性各种滤波器的幅频特性 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理
5、工大学电气与电子工程学院61.优点优点 6.1.2 集成有源滤波器的特点集成有源滤波器的特点在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时,可以做在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时,可以做到到 体积小、重量轻、成本低。体积小、重量轻、成本低。无需阻抗匹配。无需阻抗匹配。方便制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器。方便制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器。受电磁干扰的影响小。受电磁干扰的影响小。由于采用集成电路,可避免各滤波节之间的负载效应由于采用集成电路,可避免各滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大大简化,且易于进行电路而使滤波器的设计和计算大大简化,且易于进行电路调试。调试。在实现滤波
6、的同时,可以得到一定的增益。例如低通在实现滤波的同时,可以得到一定的增益。例如低通滤波器的增益可达到滤波器的增益可达到40dB。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院72.缺点缺点 如果使用电位器、可变电容器等,可使滤波器的如果使用电位器、可变电容器等,可使滤波器的精度达到精度达到0.5。由于采用集成电路,所以受环境条件(如:机械由于采用集成电路,所以受环境条件(如:机械振动、温度、湿度、化学因素等)的影响小。振动、温度、湿度、化学因素等)的影响小。如:集成电路在工作时,如:集成电路在工作时,需要配备电源电路;需要配备电源电路;由于受集成运放的限制,在高频段
7、时,滤波特性不由于受集成运放的限制,在高频段时,滤波特性不好,所以一般频率在好,所以一般频率在100kHz以下以下时使用集成有源时使用集成有源滤波器,频率再高时,使用其它滤波器。滤波器,频率再高时,使用其它滤波器。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院86.1.3 典型滤波器的传递函数典型滤波器的传递函数n阶滤波器阶滤波器传递函数传递函数的一般表达式为的一般表达式为0111nn0111mmn)(asasasabsbsbsbsGnnmm mn若将传递函数分解为因子式,则上式变为若将传递函数分解为因子式,则上式变为)()()()()(ana1a0nbmb1b0m
8、nssssssassssssbsG 式中,式中,sa0,sa1,san为传递函数的为传递函数的极点,极点,sb0,sb1,sbm为传递函数的为传递函数的零点。零点。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院9当需要设计大于等于当需要设计大于等于3阶的滤波器时,一般采取将阶的滤波器时,一般采取将高阶传递函数分解为几个低阶传递函数乘积形式。高阶传递函数分解为几个低阶传递函数乘积形式。Gn(s)=G1(s)G2(s)Gk(s)式中式中kn 例如:设计例如:设计一个一个5阶阶滤波器时,可用滤波器时,可用两个两个2阶阶滤滤波器和波器和一个一个1阶阶滤波器,滤波器,3个滤波
9、器级联得到。个滤波器级联得到。将将k个低阶传递函数的滤波器的基本节级联起个低阶传递函数的滤波器的基本节级联起来,可构成来,可构成n阶滤波器。阶滤波器。因为用集成运放构成的低因为用集成运放构成的低阶滤波器,其输出阻抗很低,所以不必考虑各基本阶滤波器,其输出阻抗很低,所以不必考虑各基本节级联时的负载效应,保证了各基本节传递函数设节级联时的负载效应,保证了各基本节传递函数设计的独立性。计的独立性。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院10表表6-1-1 常用一阶、二阶滤波器常用一阶、二阶滤波器传递函数和幅频特性传递函数和幅频特性类类 型型一阶低通一阶低通一阶高通一
10、阶高通二阶低通二阶低通二阶高通二阶高通二阶带通二阶带通二阶带阻二阶带阻)(sGCCsG020022020)(sssG200200sssG2220nnsssG2220nnnssGCssG0)(G220CCG220CG222220)()(nnnG222220)()(nnnG20222000)()(G2022202200)()()(G2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院11G(s)滤波器的传递函数,滤波器的传递函数,G()滤波器的幅频特性,滤波器的幅频特性,G0滤波器的通带增益或零频增益,滤波器的通带增益或零频增益,c一阶滤波器的截止角频率,一阶滤波器的截止角频
11、率,n二阶滤波器的自然角频率,二阶滤波器的自然角频率,0带通或带阻滤波器的中心频率,带通或带阻滤波器的中心频率,二阶滤波器的阻尼系数。二阶滤波器的阻尼系数。在表在表6-1-1中中 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院126.1.4 传递函数的幅度近似传递函数的幅度近似1.频率归一化频率归一化频率归一化频率归一化是将传递函数复频率是将传递函数复频率 s=+j 除以基准角频率除以基准角频率 得到归一化复频率得到归一化复频率jjss 低通、高通滤波器采用截止角频率低通、高通滤波器采用截止角频率 c c作为基准作为基准角频率,带通、带阻滤波器采用中心角频率角频率,
12、带通、带阻滤波器采用中心角频率 0 0作为作为基准角频率。基准角频率。在用波特图描述滤波器的幅频特性时,通常横在用波特图描述滤波器的幅频特性时,通常横坐标用归一化频率代替。坐标用归一化频率代替。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院132.传递函数的幅度近似传递函数的幅度近似 常将常将低通滤波器低通滤波器作为设计滤波器的基础,高作为设计滤波器的基础,高通、带通、带阻滤波器传递函数可由低通滤波器通、带通、带阻滤波器传递函数可由低通滤波器传递函数转换过来,因此传递函数转换过来,因此低通原型传递函数的设低通原型传递函数的设计计是其它传递函数设计的基础。是其它传递函
13、数设计的基础。图6-1-2 理想低通滤波器理想低通滤波器 的幅频特性的幅频特性 图6-1-3 幅度近似的低通幅度近似的低通 幅频特性幅频特性 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院14 寻找一个合适的有理函数来满足对滤波器寻找一个合适的有理函数来满足对滤波器幅频特性提出的要求,寻找这个合适的有理函幅频特性提出的要求,寻找这个合适的有理函数即是数即是滤波器的幅度近似。滤波器的幅度近似。幅度近似的方式幅度近似的方式有两类有两类 :(1)最平幅度近似,)最平幅度近似,也称为也称为泰勒近似,泰勒近似,这种幅度近似用了泰勒级数,其幅频特性这种幅度近似用了泰勒级数,其幅
14、频特性 在近似范围内呈单调变化。在近似范围内呈单调变化。(2)等波纹近似,)等波纹近似,也称也称契比雪夫近似,契比雪夫近似,这种幅度近似用了契比雪夫多项式,这种幅度近似用了契比雪夫多项式,其幅频特性呈等幅波动。其幅频特性呈等幅波动。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院15 在通带和阻带内可分别采用这两种幅度近似在通带和阻带内可分别采用这两种幅度近似方式,组合起来方式,组合起来有四种幅度近似的方法,有四种幅度近似的方法,有四种有四种滤波器,分别是:滤波器,分别是:巴特沃兹滤波器,巴特沃兹滤波器,契比雪夫滤波器,契比雪夫滤波器,反契比雪夫滤波器,反契比雪夫滤波
15、器,椭圆函数滤波器。椭圆函数滤波器。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院16n阶低通滤波器,阶低通滤波器,频率归一化传递函数通式频率归一化传递函数通式为为nnnnsbsbsbsbsG 11221n11)(其其正弦传递函数正弦传递函数为为)j()1(1j1)(j2314422n bbbbBAG式中式中 A 1 b2 2 b4 4,其增益幅频特性模的平方为其增益幅频特性模的平方为222n2n1)(j)(BAGG将上式分母展开为将上式分母展开为 的多项式,则可写成的多项式,则可写成nBBBG2n42212n11)()(112K,式中,式中 K2()B1 2 B2
16、 4 Bn 2n 为幅度近似方法为幅度近似方法特征函数特征函数 B b b3 3 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院171.传递函数的设计传递函数的设计6.1.5 有源滤波器的设计步骤有源滤波器的设计步骤 根据对滤波器特性要求,根据对滤波器特性要求,设计某种类型的设计某种类型的n阶传递函数,再阶传递函数,再将将n阶传递函数分解为几个低阶(如一阶、二阶或三阶)传阶传递函数分解为几个低阶(如一阶、二阶或三阶)传递函数乘积的形式。递函数乘积的形式。在设计低通、高通、带通、带阻滤波器时,通常采用频率归在设计低通、高通、带通、带阻滤波器时,通常采用频率归一化的方法
17、,一化的方法,先设计低通原形传递函数。先设计低通原形传递函数。若要求设计低通滤波器时,若要求设计低通滤波器时,再将低通原形传递函数变换为低再将低通原形传递函数变换为低通目标传递函数;通目标传递函数;若要求若要求设计高通滤波器时,设计高通滤波器时,再将低通原形传递函数变换为高再将低通原形传递函数变换为高通目标传递函数;若要求通目标传递函数;若要求设计带通滤波器时,设计带通滤波器时,再将低通原形再将低通原形传递函数变换为带通目标传递函数;若要求传递函数变换为带通目标传递函数;若要求设计带阻滤波器设计带阻滤波器时,时,再将低通原形传递函数变换为带阻目标传递函数。再将低通原形传递函数变换为带阻目标传递
18、函数。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院182.电路设计电路设计 按各个低阶传递函数的设计要求,设计和计算有按各个低阶传递函数的设计要求,设计和计算有源滤波器电路的基本节。源滤波器电路的基本节。先选择好电路形式,再根据先选择好电路形式,再根据所设计的传递函数,设计和计算相应的元件参数值。所设计的传递函数,设计和计算相应的元件参数值。根据设计要求,对各电路元件提出具体的要求。根据设计要求,对各电路元件提出具体的要求。3.电路装配和调试电路装配和调试 先设计和装配好各个低阶滤波器电路,再将各先设计和装配好各个低阶滤波器电路,再将各个低阶电路级联起来,组成整个
19、滤波器电路。个低阶电路级联起来,组成整个滤波器电路。对整个滤波器电路进行相应调整和性能测试,对整个滤波器电路进行相应调整和性能测试,并检验设计结果。并检验设计结果。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院196.2 低通滤波器低通滤波器6.2.1 一阶低通滤波器一阶低通滤波器6.2.2 二阶低通滤波器二阶低通滤波器6.2.3 高阶低通滤波器高阶低通滤波器6.2.4 低通滤波器的应用电路低通滤波器的应用电路2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院206.2.1 一阶低通滤波器一阶低通滤波器一阶低通滤波器包含一个一阶低通滤波器包含
20、一个RC电路,电路,传递函数传递函数为为:图图6-2-1 一阶低通滤波器一阶低通滤波器offi11()()()()()UsZ s IG sU sZ s I 式中式中 1f0RRG 为零频增益为零频增益 ff1CRc 为截止角频率为截止角频率 0f1ffc111()GRsRsC R 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院21频率特性频率特性为为 其中,其中,幅频特性幅频特性为为c0j1)(jGG2c01)(GG相频特性相频特性为为c1tg)(缺点:缺点:阻带特性衰减太慢。阻带特性衰减太慢。图图 6-2-2 一阶低通滤波器一阶低通滤波器 的幅频特性的幅频特性20
21、23年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院226.2.2 二阶低通滤波器二阶低通滤波器图图6-2-3 二阶低通滤波器二阶低通滤波器零频增益为零频增益为 RRGf01在节点在节点A可得可得2B3o321A1i)(YuYuYYYuYu02o3o321A)(GYuYuYYYu在节点在节点B可得可得042o42B2A)()(GYYuYYuYu2042oA)(YGYYuu2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院23一般二阶低通滤波器的一般二阶低通滤波器的传递函数传递函数为为)1()()()()(032321421210ioGYYYYYYYYY
22、YGsUsUsG在构成二阶低通滤波器时,只需选择在构成二阶低通滤波器时,只需选择Y1、Y2、Y3、Y4导纳的值即可。导纳的值即可。如:当选择如:当选择 111RY 221RY 时,则构成下图所示的二阶低通滤波器。时,则构成下图所示的二阶低通滤波器。Y4=sC2 Y3=sC1 2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院24图图6-2-4 二阶低通滤波器二阶低通滤波器传递函数为传递函数为 oi()()()UsG sU s零频增益为零频增益为 f01RGR 自然角频率为自然角频率为阻尼系数为阻尼系数为2211012211122)1(CRCRGCRCRCRCR20n22
23、nnGssn12121R R C C2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院25为简化计算通常选为简化计算通常选 C1=C2=C,则上式简化为,则上式简化为n1211CR R2110122(1)RRRGRRR为了再进一步简化计算,选取为了再进一步简化计算,选取 可进一步简化为可进一步简化为 RC1n03G采用频率归一化的方法,则上述二阶低通滤波器采用频率归一化的方法,则上述二阶低通滤波器的的传递函数传递函数为为 1)(2mssGsGC1=C2=C,R1=R2=C2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院26克服了一阶低通滤波器阻
24、带衰减太慢的缺点。克服了一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。图图6-2-6 取不同值时,取不同值时,二阶低通频响曲线二阶低通频响曲线 (Am=1)图图 6-2-5 二阶低通滤波二阶低通滤波 器的幅频特性器的幅频特性2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院27图图6-2-6 取不同值时,二阶取不同值时,二阶 低通频响曲线低通频响曲线 (Am=1)二阶低通滤波器二阶低通滤波器各个参数,影响各个参数,影响其滤波特性,其滤波特性,如:如:阻尼系数的大小,阻尼系数的大小,决定幅频特性有决定幅频特性有无峰值,或谐振无峰值,或谐振峰高低。克服了峰高低。克服了一阶低通滤波器一阶
25、低通滤波器阻带衰减太慢的阻带衰减太慢的缺点缺点。2023年2月9日星期四集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院286.2.3 高阶低通滤波器高阶低通滤波器 高阶低通滤波器由一阶、二阶低通滤波器组高阶低通滤波器由一阶、二阶低通滤波器组成。成。例如五阶巴特沃兹低通滤波器,由两个二阶例如五阶巴特沃兹低通滤波器,由两个二阶和一个一阶巴特沃兹低通滤波器组成。和一个一阶巴特沃兹低通滤波器组成。111)(3022201210 sGssGssGsG 如要求低通滤波器的阻带特性下降速率大于如要求低通滤波器的阻带特性下降速率大于40dB/10oct 时时,必须采用高阶低通滤波器。,必须采用高阶低通滤波
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