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连续时间滤波器是模拟滤波器的一种,在现代电子工程和计算机科学领域中的应用非常广泛。即使在近年来,数字滤波器已历经了非常大地增长和发展的情况下,模拟滤波器仍然是一个重要的研究课题。随着高频应用的增多,设计单片高频集成滤波器成为当今的一个研究重点和热点,而高Q值的滤波器设计又是其中的难点。
有源RC滤波器是使用最广泛,技术最成熟的滤波器电路之一。但受到运放带宽增益积限制,这类滤波器主要应用于较低频率的信号处理。由分立元件构成的二阶带通节的中心频率上限很难超过100kHz,而专用模拟滤波器芯片(如MAX274/5,LTC1562)带通节的中心频率也不超过300kHz。
本文对高频、高Q有源RC滤波器的设计进行了理论研究,并由此实现了单片高频、高Q集成滤波器。首先,对常用有源RC滤波电路进行了详细的分析研究,选择具有低灵敏度的GIC电路做进一步研究。然后,对运放模型进行了深入研究,提出了兼顾幅频和相频特性的运放矢量模型。文中以GIC电路为例,以Protel的电路仿真结果为验证,发现了运放的相位在实现高频、高Q电路中起重要作用:运放超过90°的滞后相移可以补偿运放在高频时由于开环增益衰减引起的电路品质因数的衰减。据此提出了基于运放矢量模型的“高频、高Q有源RC滤波器设计方法”。并设计了一款带宽增益积为10MHz,在100kHz~2MHz频段内有稳定的、-95°~-100°相移、具有rail-to-rail输出特性的运放。在此基础上,设计了包含4个独立滤波单元的滤波器芯片。文章先后给出了一个中心频率1MHz,品质因数100的带通节设计,和一个中心频率500kHz,通带内起伏0.5dB的4阶带通切比雪夫滤波器设计。文章最后进行了芯片的版图设计,并通过验证,达到预期的结果。
将本文设计的滤波器芯片性能的HSPICE仿真结果与同类型连续时间滤波器芯片MAX274比较,其中心频率上限比MAX274高出一个数量级;输出动态范围、摆率和功耗等指标也均优于MAX274。