開關(guān)電容濾波�(Switch Capitor Filter,SCF)是一種由MOS開關(guān)�電容���(yùn)算放大器�(gòu)成的離散�(shí)間模擬濾波器,實(shí)際應(yīng)用中,該濾波器可與其他電路集成在同一�(gè)芯片�,通過外部端子的適�(dāng)連接獲得不同的響�(yīng)特性。某些單�(dú)的開�(guān)電容濾波器可作為通用濾波器使�,例如自適應(yīng)濾波、跟蹤濾�、振�(dòng)分析以及語言和音樂合成等�
?�?)噪 � 一�(gè)�(fù)雜的開關(guān)電容濾波器芯片中包含許多電容。為了使這些電容器的值最�,以便保證較小的芯片面積,內(nèi)部用到的電阻與大多數(shù)CM0S集成電路中所用的相比阻值更�。因�,開�(guān)電容濾波器的輸出噪聲比傳�(tǒng)的有源濾波器要高。開�(guān)電容濾波器產(chǎn)生的噪聲有兩種類型:�(shí)鐘饋通和熱噪�。開�(guān)電容濾波器的�(shí)鐘通常是工作頻率的50或l0O�,因此在輸出端它能很容易地被簡單RC濾波器濾�。熱噪聲位于信號帶內(nèi),一般比工作信號�(qiáng)度低80dB�。針對信噪比�(jìn)行優(yōu)化的增益分配可將熱噪聲最小化。同�(shí)還需要對印制電路板的版圖和去耦方案�(jìn)行仔�(xì)�(shè)�(jì)。CMOS開關(guān)造成的對片上電容的電荷注人,以及較高的內(nèi)部阻抗造成開關(guān)電容濾波器的直流失調(diào)比有源濾波器要高。然而,一些容性耦合�(jié)�(gòu)可用來消除這�(gè)問題�
?�?)頻率限� 開關(guān)電容濾波器有一�(gè)受限的性能參數(shù),即中心頻率與Q值的乘積。換句活�,越高的中心頻率,可�(shí)�(xiàn)的Q值越低。對較低的Q�,傳�(tǒng)的開�(guān)屯容濾波器可工作在上限為200 kHz左右的頻率范圍內(nèi)。采用較新的亞微米技�(shù)�,工作范圍已�(jīng)被延展到幾MHz.
由于我們處理的是抽樣系�(tǒng),因此會�(fā)生混疊效�(yīng)。如果輸入信號的頻率高于Fs/2,頻譜將�(fā)生混疊:其中fs是內(nèi)部采樣頻率(一般為截止頻率�50�100倍)。如果混疊的頻率分量的幅度相�(dāng)�,則將造成感興趣的信號不可用。有�(shí)可用輸人端的RC�(wǎng)�(luò)來避免這一�(xiàn)�,尤其是輸人信號為渚波成分豐富的矩形脈沖的情��
1 類型選擇
這里所�(shè)�(jì)的開�(guān)電容濾波器是�(yīng)用于電力線信號傳�,傳輸信號頻率為57.6±16�76.8±16�115.2±16 kHz,所以需要將電力線上的低頻噪�(包括電力線上50 Hz的電源信�)濾除,同�(shí)還需要濾除各種不可知的高頻噪�。這樣帶通濾波器成為選擇�
濾波器的理想濾波特性是,通帶�(nèi)信號完全無衰減通過,阻帶內(nèi)信號完全衰減。但�(shí)際應(yīng)用中,理想的濾波器是不存在的,只能用傳輸函數(shù)近似表達(dá)其濾波特性。根�(jù)對濾波器特性的不同要求,選擇不同形式的近似函數(shù),從而得到常用的濾波器:巴特沃�(Butterworth)濾波器、切比雪�(Chebyshev)濾波�、橢圓函�(shù)(Elliptic Function)濾波器�
考慮電力線通訊中的信號與噪聲特�,由于電力線所接觸的環(huán)境復(fù)雜,噪聲源多,所以電力線上的噪聲能量很高。尤其在低頻部分,其噪聲能量比信號能量大很多�。這就要求濾波器有良好的帶外衰減特�,而且不允許阻帶部分出�(xiàn)紋波。因�,橢圓函�(shù)濾波器就不能滿足要求,而巴特沃思濾波器的衰減特性又不夠好。綜合考慮,切比雪�?yàn)V波器是選�。濾波器階數(shù)越高,其滾降速度越快,但是也意味更大的功耗和版圖面積。于是這里采用6階帶通切比雪�?yàn)V波器�
2 �(shí)�(xiàn)方式
高階濾波器的�(shí)�(xiàn)方式主要�2種:級聯(lián)法和梯形�。級�(lián)法需要先得出滿足頻率特性要求的S域傳輸函�(shù)H(s),然后經(jīng)S域到Z域的頻率變換后得出Z域傳輸函�(shù)H(x)。再將H(x)分解成一�、二階函�(shù)乘積,分別用一�、二階SC基本節(jié)�(shí)�(xiàn),然后級�(lián)成整�(gè)開關(guān)電容濾波器電路。級�(lián)法實(shí)�(xiàn)高階開關(guān)電容濾波器采用雙線性變換法。這種方法簡單明了,而且是直接級�(lián),不存在基本節(jié)之間的反饋,只要基本節(jié)�(wěn)�,整�(gè)電路也就是穩(wěn)定的�
梯形法是無源梯形的有源SC模擬�(shí)�(xiàn)�。這種方法可�(jìn)一步分為元件阻抗模擬和跳�,前者以LC梯形濾波器為原型,用SC電路模擬原型中的阻抗元件而保持電壓電荷關(guān)系不�;后者則通過用信號流程圖表示LC梯形電路中的電壓電流�(guān)�,然后用SC積分器實(shí)�(xiàn)開關(guān)電容濾波器。其�,有源跳耦結(jié)�(gòu)是實(shí)�(xiàn)高選擇性SCF的選擇。因?yàn)檫@種跳耦濾波器不僅具有通帶低靈敏度特�,而且對寄生電容不敏感,因此是�(shè)�(jì)者的選擇�
通過信號流程圖法(SFG),構(gòu)建同�、反�、有�、無損開�(guān)電容積分�,獲得梯形電�。但這種方法在LC電路原型的串臂中至少存在一�(gè)電感,而對于全極點(diǎn)高通SCF,不能使用這種方法,因而只能使用級�(lián)��
通用的開�(guān)電容�(gòu)建模塊由采用�1所示配置的�(dú)立通用二階濾波器構(gòu)�。在單一封裝�(nèi)可包含多�(dá)四路的通用模塊。這樣的結(jié)�(gòu)允許�(diào)整諸如中心頻�、Q值、陷波位置和增益等濾波器參數(shù)。同�(shí)這些參數(shù)都可由電阻間的比值及所用的�(shí)鐘頻率來控制。圖2所示為凌特公司的LTClO64� LTC1068的框�,其中包含四路二階節(jié)。如果要了解這些器件更細(xì)節(jié)的應(yīng)用信息請參看參考文�(xiàn)及廠商網(wǎng)��
�1�1的頻率響�(yīng)
�2凌特公司 LTC1064� LTC1068的框�
使用這些模塊可以�(shè)�(jì)出不同復(fù)雜度的濾波器。設(shè)�(jì)過程包括把復(fù)雜的濾波器傳遞函�(shù)按需求變換成�(dú)立的一階或二階節(jié)。各節(jié)由諸如中心頻率或截止頻率、Q值和陷波頻率等參�(shù)來定�,然后由級聯(lián)的芯片來�(shí)�(xiàn)。說明了這�(gè)過程,其中使� MF10類的雙路開關(guān)電容濾波器實(shí)�(xiàn)了一�(gè)三階橢圓函數(shù)低通濾波器�
開關(guān)電容濾波器相�,開�(guān)電容濾波器為電路�(shè)�(jì)者提供了一種既滿足濾波需�,同�(shí)又只占用最小的印制電路板面積的解決方案。該方案具有高穩(wěn)定性和高精度的特點(diǎn),同�(shí)具各可用外部�(shí)鐘控制頻率特性的能力。表1 提供了一�(gè)開關(guān)電容濾波器的選擇指南�
�1 開關(guān)電容濾波器選擇指南:通用開關(guān)電容濾波�
注:其中大部份專用器件只是在�(xiàn)有通用�(chǎn)品的掩模上實(shí)�(xiàn)的-種定�。這�(gè)表格并非包羅萬象�,因?yàn)檫€有其他一些定制產(chǎn)品存在,而且為滿足特定需求還可能不斷佝新的產(chǎn)品出�(xiàn)�
在信號處理儀器的硬件系統(tǒng)中抗混濾波器是一重要的部件。根�(jù)信號分的的要 �,抗混濾波器的截止頻率范圍控制在10Hz�20kHz。為了提高信號的頻率分辨�,要求抗混濾波器的帶寬是可變�。比如要分析100Hz以內(nèi)的信號特征,該低通濾波器的帶寬選�100Hz。設(shè)�(jì)�(shí),按1�2�4�5倍乘的原�,將20kHz頻率范圍分成14檔不同帶寬來處理。若采用一般的模擬低通濾波器必須電路繁復(fù)、換檔不�、體積太�、不甚實(shí)�。用集成開關(guān)電容濾波器發(fā)展很�,生�(chǎn)公司不少,器件目前已系列�。它改變截止頻率非常方便,只要程近不同的采樣頻率即可。因�,選�8階開�(guān)電容橢圓低通濾波器MAX293作抗混濾波器用。理論上8階低通濾波器適合于制作抗混濾波器,其截止頻率后的衰減�160dB/10倍頻,由文獻(xiàn)�1)可�,如截止頻率�1kHz,則�1.5kHz�,信號衰減了80dB[1],接近理想的低通濾波器,這是由橢圓濾波的特點(diǎn)所決定�。實(shí)測的濾特圖(幅頻特性)也有相似�(jié)�。但在試制過程中,發(fā)�(xiàn)該濾波器有“共振”現(xiàn)�,以下就此現(xiàn)象試作分��
1 開關(guān)電容濾波器的“共振”現(xiàn)�
在用NW1232低頻頻率特性測試MAX293的幅頻特性時(shí),發(fā)�(xiàn)屏幕上除了預(yù)期的幅頻特性之�,在采樣頻率及其整數(shù)倍的頻率處具有窄帶通形狀的峰�,其高度�(dá)到甚至超過了前面幅頻特性平坦部分的值。也就是�,當(dāng)輸入信號頻率等于采樣頻率�?yàn)椴蓸宇l率的整數(shù)倍時(shí),出�(xiàn)了這一�(xiàn)�。此�(xiàn)象從未見文獻(xiàn)�(bào)�(dǎo)過,暫時(shí)稱之為“共振”現(xiàn)�,如在使用中對其不加處理,則將嚴(yán)重干擾有用信�。為了弄清原�,重�(fù)作了試驗(yàn)。采取自�(dòng)掃描、手�(dòng)掃描、變采樣頻率后掃描等方法,該�(xiàn)象始終如期而至。為了濾去該“高頻干擾”,在MAX293電路之后,接上模擬低通濾波器。然而不管接二除低通還是四階低通模擬濾波器,其輸出仍然存在該“干擾�,而且幅值無任何減小�
2 “共振”現(xiàn)象的解釋
用模擬低通濾波器做實(shí)�(yàn),當(dāng)然不存在此現(xiàn)�。因此,原因必然在于具有采樣�(huán)節(jié)的開�(guān)電容�。在開關(guān)電容濾波器中,當(dāng)開關(guān)頻率(即采樣頻率、時(shí)鐘頻率)大大于信號頻率時(shí)(文�(xiàn)�2)指出,一般要大于20倍),開�(guān)電容等效于模擬阻容濾波器中的電阻,可推導(dǎo)�,其等效電阻R=1/(C·fc),其中C為電�,fc為開�(guān)濾波[3]。通過分析得到,當(dāng)信號頻率和采頻率同頻�(shí),就會出�(xiàn)如圖1所示的�(xiàn)��
圖中輸入信號vi為正弦波(方波也一樣)�1�2……為同頻采樣信號。在相位適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(如圖1所示),開�(guān)電容濾波器的電容上將出現(xiàn)輸入信號的峰值。相位的不同,采樣到的值也不同,但各采樣點(diǎn)所采樣的值是相同�。因此在采樣電容上產(chǎn)生一�(gè)直流信號,使流波器輸出一�(gè)直流電平。當(dāng)觀察幅頻特性時(shí),在輸入信號與采樣信號同頻且相位合適�(shí),就出現(xiàn)了上述所謂的“共振”現(xiàn)象。而且其后的低通模擬濾波器對此無能為力。同理,�(dāng)信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí),顯然也會出�(xiàn)相同的現(xiàn)��
3 試驗(yàn)�(jié)�
為了證實(shí)上述的分�,采用如�2(a)所示的一階低通濾波器作了度驗(yàn)。圖中vi為正弦波輸入,�1,�2為兩相脈沖作采樣開關(guān)信號,vo為輸出信��
在低頻特性測試儀上測�,�1、�2的頻率fφ�10kHz,除了在�100Hz處轉(zhuǎn)折的低通幅頻特性外,在10kHz�20kHz�,出�(xiàn)了峰值。此處fφ即為上述的開�(guān)頻率fc,其與低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率的�(guān)�,取決于�2(a)中的C1和C2之比值。此�(shí)用電壓表測量vo為直流電�4V,用晶體管毫伏表測得輸入信號值為2.8V。從而證�(shí)了上述分��
為了去除“共振”現(xiàn)�,要限制輸入信號的范�,使之小于采樣頻�。因此采用集成開�(guān)電容低通濾波器(如MAX293一類)�(shí),在其前�,必須要增加模擬低通濾波器,把采樣頻率及其以上的高頻信號有效的排除在外才行�
4 基于MAX293的實(shí)用抗混濾波器
集成開關(guān)電容濾波器體積小、階�(shù)�、衰減沿�、改變通帶寬度非常方便,因此用途十分廣�,特別是在要求有不同帶寬的場�。其缺點(diǎn)是本身有開關(guān)噪聲,尤其是存在上述的“共振”現(xiàn)�。因此在使用�(shí),要根據(jù)不同的要�,采取必要的措施。現(xiàn)以采用MAX293制作抗混濾波器為例予以說��
�3為信號處理儀器硬件框�。其中,MAX293及其前后的模擬低通濾波器一�,組成通帶可編程抗混濾波器�
根據(jù)界面上測量顯示信號的大小,用PC�(jī)上的鍵盤選取量程程控放大器的放大倍數(shù),以得到幅度合適的信�。AMX293濾波器前后,接有兩�(gè)可編程模擬低通濾波器,它們有同步的三�(gè)可編程轉(zhuǎn)折頻率,由PC�(jī)給出地址,切換到不同� 的濾波電容來�(shí)�(xiàn)。用MAX293濾波器前的雙二階可編程模擬低通濾波器消除“共振”現(xiàn)�,用后邊的二階低通濾波器消除采樣頻率信號fc所引起的噪�。由于MAX293�10Hz�20kHz分成14�,其截止頻率與采樣頻率fc之比值為1�100[1],所以模擬濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為100Hz�1kHz�10kHz三檔,它們能將盯�(yīng)于fc及其以上的信號諧濾排除在�。MAX293的不同截止頻率是由PC�(jī)通過改變fc而得到的。所有模擬濾波器�(shè)�(jì)成Butterworth濾波�。本硬件系統(tǒng)及相�(yīng)的軟件系�(tǒng)已銷售多套,并于2001�11月通過由機(jī)械工�(yè)技�(shù)�(fā)展基金會組織的鑒��