集成方案簡(jiǎn)化模擬濾波器設(shè)計(jì)

本篇應(yīng)用筆記介紹開(kāi)關(guān)電容濾波器用于ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)輸入端抗混疊和降噪以及DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換器)輸出端信號(hào)重建濾波的優(yōu)勢(shì)?？偨Y(jié)了MAX74xx系列開(kāi)關(guān)電容濾波器相對(duì)連續(xù)時(shí)間有源濾波器的優(yōu)勢(shì)并給出了一些應(yīng)用實(shí)例。

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

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間有源濾波器非常具有挑戰(zhàn)性，需要使用多個(gè)高性能運(yùn)放和精度很高的無(wú)源器件。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括如何選擇最優(yōu)的濾波器架構(gòu)，還需要使用專用的濾波器計(jì)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(shù)目，使濾波器調(diào)諧十分簡(jiǎn)單，并可降低系統(tǒng)功耗。本文通過(guò)分析如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)時(shí)間濾波器和一個(gè)SCF來(lái)說(shuō)明其在性能和復(fù)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(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/577/" target="_blank">示波器/分析儀這類測(cè)試應(yīng)用中幾乎沒(méi)有失真。但設(shè)計(jì)者通常需要構(gòu)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(diǎn)更多)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)基于Sallen-Key架構(gòu)，為減少元器件數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)化，使用精度為1%的標(biāo)準(zhǔn)電阻和精度為5%的標(biāo)準(zhǔn)電容。為確定外圍元件值，使用了濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterPro?，并用PSPICE仿真工具進(jìn)行了驗(yàn)證。


圖1. 兩個(gè)運(yùn)放和多個(gè)無(wú)源元件構(gòu)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(yùn)放作緩沖，尤其是當(dāng)信號(hào)源阻抗較高(大于幾百歐)或?yàn)V波器輸出的下一級(jí)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(jié)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(jì)算的結(jié)果。SPICE仿真器通過(guò)在標(biāo)稱容限范圍內(nèi)隨機(jī)改變外圍元件值模擬器件的差異，仿真結(jié)果揭示截止頻率會(huì)在f_C = f_IN -3dB ± 0.6dB范圍內(nèi)變動(dòng)，這是電容和電阻值在標(biāo)稱容限內(nèi)變化引起的。


圖2. 5階貝塞爾濾波器SPICE仿真頻響結(jié)果

為在1kHz至15kHz的截止頻率范圍內(nèi)獲得可以接受的特性(80dB或更好的動(dòng)態(tài)范圍)，設(shè)計(jì)人員必須使用容限更嚴(yán)格、具有更高溫度穩(wěn)定性的元器件。例如：

1. 對(duì)于截止頻率為1kHz至15kHz的濾波器來(lái)說(shuō)，運(yùn)放在0.5MHz至6.5MHz范圍內(nèi)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(yīng)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(nèi)必須能夠保持穩(wěn)定的標(biāo)稱值。
3. 電阻應(yīng)該是容限好于±1%的金屬膜電阻，還要具有較低的溫度系數(shù)。
4. 為了保證量產(chǎn)性能，元器件最好從可靠的供應(yīng)商采購(gòu)，如Panasonic、Rohm、Vishay、Kemet和AVX。

一個(gè)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(jì)在$1.50至$2.00之間(1000套以上價(jià)格)。這還不包括設(shè)計(jì)、測(cè)試、PCB布板、組裝、元件采購(gòu)等花費(fèi)的時(shí)間成本，這些成本難以量化而且與公司有關(guān)。關(guān)于元器件值變化對(duì)高階連續(xù)時(shí)間濾波器的影響，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記 738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。

Maxim提供一種更有效、更簡(jiǎn)單的集成開(kāi)關(guān)電容濾波器解決方案，利用一顆芯片即可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)濾波器的效果(應(yīng)用筆記733：“A Filter Primer”介紹了更多關(guān)于SCF的技術(shù)細(xì)節(jié))。濾波器設(shè)計(jì)人員僅需一個(gè)低成本外部電容或外部時(shí)鐘，就可以得到集成、可靠、可預(yù)測(cè)的高性價(jià)比濾波器方案，而且不易受溫度和其它環(huán)境參數(shù)影響。

圖3和圖4是利用SCF芯片(MAX7409/MAX7413)實(shí)現(xiàn)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(zhì)為X7R或Z5U)，但圖4中的C_CLK 推薦使用COG (NPO)材質(zhì)的電容。


圖3. 開(kāi)關(guān)電容濾波器的f_C (截止頻率)可以用一個(gè)占空比為50% ± 10%的時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)


圖4. 用開(kāi)關(guān)電容濾波器的內(nèi)部振蕩器設(shè)置f_C需要在CLK引腳和地之間接一個(gè)電容CCLK，當(dāng)CCLK = 300pF時(shí)，f_C = 1kHz。

仿真和測(cè)試結(jié)果(如圖5所示)表明基于MAX7409/MAX7413的開(kāi)關(guān)電容濾波器在通帶內(nèi)的變化優(yōu)于基于運(yùn)放的連續(xù)時(shí)間濾波器。開(kāi)關(guān)電容濾波器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于調(diào)諧。截止頻率可以通過(guò)內(nèi)部或外部時(shí)鐘調(diào)整。而對(duì)于基于運(yùn)放的連續(xù)時(shí)間濾波器而言，改變截止頻率幾乎相當(dāng)于重新設(shè)計(jì)濾波器。


圖5. f_C = f_IN處的開(kāi)關(guān)電容濾波器通帶變化在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)僅為-3dB ± 0.4dB

表1和表2介紹了Maxim數(shù)款低功耗、高階開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片。

表1. Maxim低功耗5階濾波器