设计指南 4422

集成方案简化模拟滤波器设计

By: Joseph Shtargot

摘要 : 本篇应用笔记介绍开关电容滤波器用于ADC (模数转换器)输入端抗混叠和降噪以及DAC (数模转换器)输出端信号重建滤波的优势。总结了MAX74xx系列开关电容滤波器相对连续时间有源滤波器的优势并给出了一些应用实例。

类似文章发表在2009年10月的Electronic Products杂志。

模拟滤波器在电子信号合成系统中应用广泛,可为ADC提供抗混叠和降噪,为DAC提供信号重建滤波¹。不同的设计要求需要使用不同的滤波器架构,常用的滤波器有贝塞尔、巴特沃思以及椭圆滤波器。

贝塞尔低通滤波器具有线性相位响应,通带无纹波、阻带单调衰减,适合时域应用。巴特沃思低通滤波器在通带内具有最平坦的频响,阻带的单调衰减也比贝塞尔滤波器陡峭,但相位响应随频率非线性变化,这使得巴特沃思低通滤波器非常适合基于幅度的应用。而椭圆低通滤波器具有接近平坦的通带响应和极为陡峭的阻带衰减,是基于幅度的抗混叠应用的最佳选择。

设计和实现连续时间有源滤波器非常具有挑战性,需要使用多个高性能运放和精度很高的无源器件。设计挑战包括如何选择最优的滤波器架构,还需要使用专用的滤波器计算软件²。另一个简单的方法是使用高度集成的SCF (开关电容滤波器),SCF可以大大减少外围元器件数目,使滤波器调谐十分简单,并可降低系统功耗。本文通过分析如何实现一个连续时间滤波器和一个SCF来说明其在性能和复杂程度上的不同。

如上所述,贝塞尔滤波器的特性使其非常适合时域应用,因为它们在示波器/分析仪这类测试应用中几乎没有失真。但设计者通常需要构建更高阶的贝塞尔滤波器(这意味着比巴特沃思或椭圆滤波器的极点更多)来实现足够大的阻带衰减。

图1所示原理图为5阶、1.0kHz、低通贝塞尔滤波器,设计基于Sallen-Key架构,为减少元器件数目进行了优化,使用精度为1%的标准电阻和精度为5%的标准电容。为确定外围元件值,使用了滤波器设计软件FilterPro™,并用PSPICE仿真工具进行了验证。

图1. 两个运放和多个无源元件构成5阶、1.0kHz、低通贝塞尔滤波器
图1. 两个运放和多个无源元件构成5阶、1.0kHz、低通贝塞尔滤波器

许多情况下,输入和输出RC滤波器还需要一个额外的运放作缓冲,尤其是当信号源阻抗较高(大于几百欧)或滤波器输出的下一级输入阻抗过低(低于几百kΩ)时。

贝塞尔滤波器的SPICE仿真结果如图2所示,该频响图是同一滤波器进行100次Monte Carlo仿真计算的结果。SPICE仿真器通过在标称容限范围内随机改变外围元件值模拟器件的差异,仿真结果揭示截止频率会在fC = fIN -3dB ± 0.6dB范围内变动,这是电容和电阻值在标称容限内变化引起的。

图2. 5阶贝塞尔滤波器SPICE仿真频响结果
图2. 5阶贝塞尔滤波器SPICE仿真频响结果

为在1kHz至15kHz的截止频率范围内获得可以接受的特性(80dB或更好的动态范围),设计人员必须使用容限更严格、具有更高温度稳定性的元器件。例如:
  1. 对于截止频率为1kHz至15kHz的滤波器来说,运放在0.5MHz至6.5MHz范围内必须具有一致的增益,THD+N (总谐波失真 + 噪声)必须小于0.005%。
  2. 电容应该采用精密的陶瓷电容或薄膜电容,而且在很宽的温度范围和电压范围内必须能够保持稳定的标称值。
  3. 电阻应该是容限好于±1%的金属膜电阻,还要具有较低的温度系数。
  4. 为了保证量产性能,元器件最好从可靠的供应商采购,如Panasonic、Rohm、Vishay、Kemet和AVX。
一个5阶、截止频率为1kHz至15kHz的贝塞尔低通滤波器的元器件BOM成本估计在$1.50至$2.00之间(1000套以上价格)。这还不包括设计、测试、PCB布板、组装、元件采购等花费的时间成本,这些成本难以量化而且与公司有关。关于元器件值变化对高阶连续时间滤波器的影响,请参考应用笔记738:“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。

Maxim提供一种更有效、更简单的集成开关电容滤波器解决方案,利用一颗芯片即可实现大多数滤波器的效果(应用笔记733:“A Filter Primer”介绍了更多关于SCF的技术细节)。滤波器设计人员仅需一个低成本外部电容或外部时钟,就可以得到集成、可靠、可预测的高性价比滤波器方案,而且不易受温度和其它环境参数影响。

图3图4是利用SCF芯片(MAX7409/MAX7413)实现5阶低通贝塞尔滤波器的电路原理图,其中的0.1µF去耦电容可以使用普通的低成本陶瓷电容(材质为X7R或Z5U),但图4中的CCLK 推荐使用COG (NPO)材质的电容。

图3. 开关电容滤波器的fC (截止频率)可以用一个占空比为50% ± 10%的时钟实现
图3. 开关电容滤波器的fC (截止频率)可以用一个占空比为50% ± 10%的时钟实现

图4. 用开关电容滤波器的内部振荡器设置fC需要在CLK引脚和地之间接一个电容CCLK,当CCLK = 300pF时,fC = 1kHz。
图4. 用开关电容滤波器的内部振荡器设置fC需要在CLK引脚和地之间接一个电容CCLK,当CCLK = 300pF时,fC = 1kHz。

仿真和测试结果(如图5所示)表明基于MAX7409/MAX7413的开关电容滤波器在通带内的变化优于基于运放的连续时间滤波器。开关电容滤波器的另一个优点是易于调谐。截止频率可以通过内部或外部时钟调整。而对于基于运放的连续时间滤波器而言,改变截止频率几乎相当于重新设计滤波器。

图5. fC = fIN处的开关电容滤波器通带变化在整个温度和电压范围内仅为-3dB ± 0.4dB
图5. fC = fIN处的开关电容滤波器通带变化在整个温度和电压范围内仅为-3dB ± 0.4dB

表1表2介绍了Maxim数款低功耗、高阶开关电容滤波器芯片。

表1. Maxim低功耗5阶滤波器
Part Supply Voltage (V) Filter Type Filter Characteristics
MAX7411 +5 Elliptic Steepest rolloff, 37dB of stopband rejection
MAX7415 +3 Elliptic Steepest rolloff, 37dB of stopband rejection
MAX7408 +5 Elliptic Steep rolloff, 53dB of stopband rejection
MAX7412 +3 Elliptic Steep rolloff, 53dB of stopband rejection
MAX7409 +5 Bessel Linear phase response
MAX7413 +3 Bessel Linear phase response
MAX7410 +5 Butterworth Maximally flat passband and stopband response
MAX7414 +3 Butterworth Maximally flat passband and stopband response

表2. Maxim低功耗8阶滤波器
Part Supply Voltage (V) Filter Type Filter Characteristics
MAX7400 +5 Elliptic Steepest rolloff and 83dB of stopband rejection
MAX7401 +5 Bessel Linear phase response
MAX7403 +5 Elliptic Steep rolloff and 60dB of stopband rejection
MAX7404 +3 Elliptic Steepest rolloff and 83dB of stopband rejection
MAX7405 +3 Bessel Linear phase response
MAX7407 +3 Elliptic Steep rolloff and 60dB of stopband rejection



参考文献
  1. 应用笔记3494:“利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波”。
  2. 应用笔记738:“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。