集成方案簡化模擬濾波器設計

　　摘要：本篇應用筆記介紹開關電容濾波器用于ADC (模數(shù)轉換器)輸入端抗混疊和降噪以及DAC (數(shù)模轉換器)輸出端信號重建濾波的優(yōu)勢。總結了MAX74xx系列開關電容濾波器相對連續(xù)時間有源濾波器的優(yōu)勢并給出了一些應用實例。

　　模擬濾波器在電子信號合成系統(tǒng)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(xiàn)連續(xù)時間有源濾波器非常具有挑戰(zhàn)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(zhàn)包括如何選擇最優(yōu)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(shù)目，使濾波器調諧十分簡單，并可降低系統(tǒng)功耗。本文通過分析如何實現(xiàn)一個連續(xù)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(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，設計基于Sallen-Key架構，為減少元器件數(shù)目進行了優(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。