单片全集成RC有源滤波器的设计

摘要

本文研究了单片集成RC有源滤波器的设计问题，所提出的设计方案具有低电压、体积小，和CMOS工艺兼容，便于集成，参数调节灵活，中心频率稳定等诸多优点。文中比较系统地介绍了单片集成RC有源滤波器设计中的关键问题：滤波器系统函数的逼近方法以及在此基础上发展出的极点定位算法，使我们可以在得到滤波器指标后方便地得出所需要的传递函数；使用Tow-Thomas电路结构作为滤波器的核心单元，不仅使设计适用于多种不同的滤波要求，而且极大地方便了滤波器的参数调整；讨论了放大器的直流增益、单位增益带宽、摆率和动态范围等各项性能对滤波器相关指标的影响。针对中心频率在100kHz～300kHz范围内的应用，完成了主要电路设计，通过了仿真验证并绘制了版图。 本论文的创新点在于：提出了用Mathematica求解复杂电路的符号传递函数并将其因式分解的方法，这为高阶滤波器电路设计提供了很大的方便；同时，本文还提供了将轨到轨运算放大器应用在滤波器的设计中，取代了以往工业中使用带零阈值电压输出级运算放大器的的做法，这种设计实现了在普通工艺下增加滤波器的动态范围的设计构想。在采用双电源的情况下，滤波器所能接受的信号幅度即为电源电压，同时这种设计因为省掉了跟随器，因此具有降低功耗并节省芯片面积的优点。 使用Tow-Thomas二阶节作为滤波器的核心电路，只需调节部分无源元件即可将滤波器作为低通、高通、带通滤波器使用，并可以自行设定中心频率，极大地方便了使用。同时针对以Tow-Thomas电路模块作为核心单元的滤波器设计，本论文详细分析了放大器的增益带宽积对滤波器各性能参数如通带增益、品质因子Q值以及截止频率的影响，这为晶体管级电路设计和项层的系统设计之间建立起了联系，量化了底层设计对上层参数的影响，为滤波器的集成设计提供了理想的解决方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2滤波器概述

1.2.1无源滤波器

1.2.2有源滤波器

1.3选题的意义和研究方法

1.3.1选题的意义

1.3.2研究的方法

1.4论文研究内容

第二章滤波器逼近理论

2.1 Butterworth逼近

2.1.1 Butterworth传递函数

2.1.2 Butterworth函数的极点分布

2.1.3低通Butterworth滤波器设计方法

2.2 Chebyshev逼近

2.2.1 Chebyshev函数的幅频响应

2.2.2 Chebyshev低通滤波器的设计

2.2.3 Chebyshev传递函数的极点分布

2.3反Chebyshev逼近

2.3.1反Chebyshev函数的幅频响应

2.3.2反Chebyshev传递函数的极零点分布和滤波器的设计方法

2.4 Cauer逼近

2.4.1 Cauer传递函数的幅频响应

2.4.2 Chebyshev有理函数

2.4.3 Cauer滤波器的设计过程

第三章有源模拟滤波器设计中的电路实现

3.1设计参数Q和ω0

3.2Tow-Thomas二阶节结构及性质

3.3无任意有限传输零点的二阶节的幅频特性

3.3.1低通滤波器的幅频特性

3.3.2带通滤波器的幅频特性

3.3.3高通滤波器的幅频特性

3.4带任意有限非零传输零点的二阶节的幅频特性

3.4.1带阻滤波器的幅频特性

3.4.2全通滤波器的幅频特性

3.4.3低通陷波和高通陷波滤波器的幅频特性

第四章基于Tow-Thomas二阶节的有源RC滤波器的设计

4.1基于极点定位算法的函数逼近

4.1.1估测滤波器的阶数n

4.1.2确定极点位置

4.2传递函数的分解和零极点配对

4.3增益分配

4.4符号电路传递函数求法

4.4.1符号分析原理

4.4.2程序实现

4.4.3符号传递函数的系数分配

4.5运算放大器的设计

4.5.1系统对运算放大器的基本要求

4.5.2采用的放大器及其特性分析

第五章单片集成有源RC滤波器的设计

5.1 8阶带通滤波器设计

5.2 5阶高通滤波器设计

5.3 8阶高通滤波器设计

5.4 9阶低通滤波器设计

结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢