七阶元件级仿真椭圆滤波器设计方法

2021-06-03降雪辉

洛阳师范学院学报 2021年5期

降雪辉，孙滨

(郑州工业应用技术学院信息工程学院，河南新郑 451150)

0 前言

在通信系统中，连续时间滤波器是不可或缺的组成部分[1], 如何简洁地设计出易于集成、高频特性好和传输误差小的滤波器是电路系统学研究的重要方向.近年来, 采用MOS IC技术设计的基于积分器的滤波器[2-9]得到了广泛关注, 这主要是因为基于积分器的滤波器技术十分适合超声频(>100kHz)的应用, 且片内电阻与电容的元件数值合适，易于集成电路的工艺实现，并具有低的元件参数分散度，其既可以单片集成，也可以用于片上系统[10-12].在设计基于积分器的滤波器时, 以无源LC梯形网络为原型, 采用有源技术模拟该结构的间接设计方法得到了广泛的应用.

信号流图(SFG)技术是实现间接设计方法的一种十分有效的技术.参考文献[13]和参考文献[14]采用信号流图技术实现了基于电流传送器的全集成高阶椭圆滤波器，参考文献[15]介绍了基于积分器模块互联的信号流图技术，并给出了全极点滤波器的设计方法.本文采用基于积分器模块互联的信号流图技术，对于有限传输零点的高阶低通滤波器，推导得出了其电路形式和元件参数，并给出一种基于积分器模块的通用设计方法.本结构中的积分器模块既可以用经典的负反馈全差分运算放大器实现，又可以用基于OTA(operational transconductance amplifier)的电路实现.

1 基于信号流图的高阶椭圆滤波器设计方法

对有源梯形滤波器进行设计，首先需设计无源网络，其设计原型为双端接载的LC梯形滤波器，由此得到的有源滤波器保持了LC原型滤波器低灵敏度和低元件参数分散度的特性.采用信号流图方法设计且不含有限传输零点的低通滤波器的方法在多篇文献中已有介绍[1，15]，本文在此基础上，以五阶椭圆低通滤波器为例讨论含有限传输零点的梯形滤波器的信号流图设计方法，并给出其电路结构.

全极点五阶低通滤波器的电路结构如图1所示，其信号流图的设计方法在本文中不进行讨论，只给出其积分器模块互联结构(见图2)，采用全差分运算放大器实现的电路结构如图3所示.五阶椭圆低通无源LC 滤波器梯形原形电路如图4所示.

图1 全极点五阶低通滤波器原形电路

图2 全极点五阶低通滤波器积分器模块互联结构

图3 全差分运算放大器实现全极点五阶滤波器

图4 五阶椭圆低通无源LC梯形滤波器原形电路

通过分析推导其信号流图，即可得到设计所有高阶椭圆滤波器的通用方法.首先，对其列出三个节点电压方程：

(1)

经整理，可得到三个节点的电压分别表示为公式(2)、公式(3)和公式(4)：

(2)

(3)

(4)

其次，根据公式(2)—(4),可得到去除耦合电容后的电路示意图，去除耦合电容后的电路示意图如图5所示.由图可见，去除耦合电容后，电路转变为元件参数已改变的全极点五阶低通滤波器的梯形原形电路，并增加了四个压控电压源，其相应的信号流图如图6所示.

图5 去除耦合电容后的电路示意图

图6 五阶椭圆低通滤波器信号流图

再次，采用全差分运算放大器实现了一种五阶椭圆低通滤波器电路，其结构图如图7所示.图中标出了用于实现有限传输零点的耦合电容.

图7 全差分运算放大器实现的五阶椭圆低通滤波器电路结构

2 七阶低通椭圆滤波器设计实例

现应用此方法设计一个可实际应用于CDMA通信电路芯片的低通滤波器.其技术指标要求是：通带频率为550 kHz, 阻带频率设定为650 kHz,通带内最大波纹为0.2dB，阻带衰减设定为>48dB，并假设相位的缺陷可以由后端数字电路补偿.综合考虑电路要求[16],该滤波器采用了带有有限传输零点的7阶椭圆滤波器结构.无源LC滤波器梯形原形电路如图8所示.其幅频和相频特性曲线如图9所示，可满足设计要求.

图8 7阶椭圆滤波器的LC梯形原形电路

图9 LC梯形原形电路仿真的频率特性

采用全差分运算放大器实现，最后得到的七阶椭圆低通滤波器电路如图10所示.如果不考虑动态范围调整的因素，系统电路中所有电阻(包括Rs和RL)的值都为100K，不存在集成时的相对误差；所有电容的取值都在3pF到60pF之间，其易于集成电路的工艺实现.用SPICE 进行仿真得到的频率特性如图11所示，仿真时全差分运算放大器使用理想运放代替.由仿真结果可看出积分器形式电路和LC梯形原形电路的频率特性是一致的(图中幅频特性曲线的初始衰减值不同是单端输出造成的)，从而验证了本设计方法的正确性.