中心频率可调的高线性度带通滤波器设计

第１２卷第６期　电手元器件壶用　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．６　２０ｌ０年６月　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｊｕｎｅ．２０１０　ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９０．ｉｓｓｎ．１５６３－４７９５．２０１０．０６．０１２　中心频率可调的高线性度　带通滤波器设计　何瑞涛，贾萃华，于忠臣　（北京工业大学北京嵌入式系统重点实验室，北京　１０００２２）　摘　要：为了提高滤波器的线性度，文中给出了开关电容电阻不在信号通路中，而将其放在　控制电路中的带通滤波器的设计方法。由于该方法采用了特殊的校正技术和匹配技术。因　此，该滤波器具有自动调节功能，且其频响曲线随ＰｖＴ变化在±２　ｋＨｚ内。　关键词：高线性度；开关电容；带通滤波器；中心频率可调　０　引言　器的整体传递函数如下：　ＫＩＩ＂Ｓ　Ｋ１２＂ｓ　一　’　・　常见的片内滤波器的设计带宽都上兆赫兹．　而几十千赫兹带宽的滤波器大多采用片外无源器　件来实现。原因是低频滤波器的时问常数巨大。　—＿　Ｌ　（１）　在芯片内占据大量的芯片面积。　２ｍ　在片内实现巨大时间常数的通常办法是采取　为了降低电路的复杂度，图１中的所有电阻　大电阻小电容结合方式。因为大电阻可利用开关　均采用同一阻值。这样，整个滤波器只需要一个　电容技术来实现。以前采用开关电容技术实现的　控制电路。　滤波器有两个明显缺陷：其一是开关电容在信号　由于该电阻的值随ＰＶＴ的变化很大，因此，　通路中会引人大量噪声．从而直接导致滤波器的　为了使滤波器的频响特性不受ＰＶＴ变化的影响，　线性度不高：其二是开关电容的时钟频率必须和　则要求电阻值不随ＰＶＴ变化。为此，需要讨论如　后续的ＡＤＣ频率严格一致，否则会导致丢码。　何保证电阻值不随ＰＶＴ改变而改变。　本文仍采用开关电容技术，但不放在信号通　路中，而是将其放到控制电路中。其主通路中的　２精确电阻处理　电阻采用Ｒ—ＭＯＳ结构．阻值可由控制电路精确调　节。这样既利用了开关电容可精确实现大电阻的　精确电阻由控制电路部分实现，其控制电路　功能，也消除了前面提到的２个缺陷，故可实现　结构如图２所示。其中开关Ｓ。和Ｓ：可由两相不交叠　连续时间滤波器较高的线性度。　时钟　和　分别控制，以对电容进行周期性充放　电，从而使等效电阻　ｑ＝一　Ｔ；Ｍ０ｓ管Ｍ工作在线　１滤波器结构　性区，其电阻如下：　该滤波器的整体结构如图１所示。图中，Ｒｉ＝　ＲＭ＇－　Ｌ　（２）　１Ｇｉ＝Ｋ　ｔｉ，，。ｉＣ３ｉ＝去，整体结构共３级，每一级　通过尺Ｍ和Ｒ可得到Ｒｉ的值。当　ｉ＞尺　，积分器　为Ｈｉｇｈ—Ｑ　Ｏｐａｍｐ－Ｒ—Ｃ的二阶带通滤波器．通过　呈正积分特性，运放的输出电压增大，　硝变大，　级联形成一个６阶＠Ｃｈｅｂｖｓｈｅｖ　Ｉ型滤波器。滤波　ＲＭ变小，　ｉ变小；同理，当Ｒｉ＜　时，积分器呈　负积分特性，运放的输出电压减小，　岱变小，　收稿日期：２０１０—０２—２６　３４　电手元器件主明２０１０。６　ｗｗｗ．ｅｃｄａ．ｃｎ　第１２２卷０１０年６月　第６期　镶钸　Ｖ０１．１２　Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ．２０１０　Ｃ３ｉ　Ｃ３ｉ　ＩＰ－－－ｔ　ｏＮ　ｒＮ－－－Ｉ　ＯＰ　图１　６阶Ｃｈｅｂｖｓｈｅｖ　Ｉ带通滤波器的整体结构图　图２控制电路结构图　ＲＭ变大，Ｒｉ变大；最后环路稳定，Ｒｉ＝Ｒ　，　ＬＰＦ和　Ｃ　成低通滤波器，从而可滤掉　岱的直流成分，　提高Ｒ　的线性度。　图２中Ｒ的作用是降低ＭＯＳ管漏端的电压，让　（ａ）ＯＰ端测试结果　ＭＯＳ管工作在线性区，以提高电阻Ｒ　的线性度。　图１中的电阻　ｉ和图２中的电阻Ｒｉ相同，它们　都由控制信号　控制。图１中的时间常数如下：　个　ｚ＝Ｒ　Ｃｉ－－去Ｃａ　（３）　其中，堤时钟周期，ｃｉ为积分电容，Ｃ为等　效电阻电容。为了提高电容匹配度，Ｃ和ｃｉ应采　用同一单位电容组合，这样，式（３）可变为：　ｑＣｉ一吾　Ｔｋ　（４）　其中，Ｊｉ｝为Ｃ和ｃｉ的比值。从式（４）可以看　出．时间常数只跟时钟周期和电容比值有关。因　（ｂ１　０Ｎ端测试结’果　此，改变时钟周期蹴可改变时间常数ｒ，时钟频　图３　ＢＰＦ的频率响应曲线　率可由数字部分控制。　幅度为５００　ｍＶｐｐ，输出用示波器检测。线性度测　试结果为４３　ｄＢ，可见，这种设计方案具有很高　３测试结果　的线性度。　图３所示为ＢＰＦ的频率响应曲线。由图可见，　４结束语　其带宽为５８　ｋＨｚ，与设计指标５５　ｋＨｚ相差３　ｋＨｚ，　基本符合设计要求。　由于本文所设计的滤波器的时间常数只跟频　图４所示为滤波器的线性度测试结果，它的　率和电容比值有关。因此只要改变时钟频率，就　输入为间隔１０　ｋＨｚ的两个带内单频点信号，信号　可以改变滤波器的中心频率。另　（下转第３９页）　．ｅｃｄａ，ｃｎ　２０１０．６电子元器件盔明　３５　第１２卷第６期　２０１０年６月　罐赫　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ．２０１０　对多种恶劣环境。　５　结束语　本系统可以实时、精确地测量电网的电能质　量数据信息，随时获取实时详细的电能质量监测　报告，并可直接对用电设置进行管理和控制。故　可以有效地改善用电负荷的曲线形状，使负荷曲　线趋于平坦，减少峰谷差，实现电力负荷在一定　时空的最佳分布，同时也可以提高用户和电网的　图４　ＡＴＩ＇７０２２Ｂ的ＳＰＩ通讯流程　负荷率．从而提高发、供、用电设备的利用率。　功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时　达到电网的安全和经济运行。由于负荷控制与监　测系统的广泛应用是电力企业自动化技术发展的　还能获得各相电流、电压的有效值以及功率因　数、相角、频率等参数。　趋势。因此，该系统对当前电力企业的电力资源　的开发、以及电力企业的经济、供用电秩序调整　Ⅲ　写入命令即校表命令的相应程序。主要完成　都有着十分重要的意义。　对Ａ１ＴＩｖ７０２２Ｂ的参数精度修正。Ａ　ｖ７０２２Ｂ必须经　过参数精度修正后才能保证采集结果达到系统的　参考文献　精度要求。　黎水平．贺建军．基于ＧＰＲＳ的配电变压器在线监控系　４系统性能测试　统研究［Ｊ］．自动化仪表，２００８，２９（９）：３３—３５　高文逸，戎俊．低压配电监控系统的构建［Ｊ］．电工电　本产品现已通过了现场试验及专家鉴定。各　气，２００９，（８）：２７—３１　项性能均可达标。数据采集功能测试结果和计量　周立功．深入浅出ＡＲＭ７：ＬＰＣ２１３Ｘ／２１４ｘ［Ｍ】．北京：　中心测试结果的误差在０．２％以内。负控功能经过　北京航空航天大学出版社。２００５．　了５００次测验，没有误操作发生。其可靠性和稳　郭晓兰．具有远程通讯功能的低压智能断路器监控　系统研究【Ｄ】．长沙：湖南大学，２ｏｏ７　定性方面。除了液晶的工作温度在一２Ｏ～７０度外。　孟威．嵌入式监控系统的网络通信研究【Ｊ］．电子科　其他所有器件的工作温度都在一４Ｏ　８５度，能够应　学，２ｏ０９，（１２）：０１—１７　（上接第３５页）　只需增加很小一部分。目前。本芯片已在　ＳＭＩＣ０．１８ｔｘｍ３２艺下已开始流片量产。　参考文献　【ｌ】Ｐｈｉｌｌｉｐ　Ｅ．Ａｌｌｅｎ　ａｎｄ　Ｄｏｕｇｌａｓ　Ｒ．Ｈｏｌｂｅｒｇ，”ＣＭＯＳ　Ａｎａｌｏｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ”．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｏｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，ＰＰ．４０２－４１３，２００２．　【２】　汪东．开关电容滤波器的设计．微电子技术，２０００，２８　（４）：１ｊ—ｌ９．　【３】　廉德亮．利用开关电容电路设计的可变增益滤渡器．　半导体技术，２００１，２６（８）：５８—６１．　图４　ＢＰＦ的线性度测试结果　［４］Ｐｈｉｌｌｉｐ　Ｅ．Ａｌｌｅｎ　ａｎｄ　Ｄｏｕｇｌａｓ　Ｒ．Ｈｏｌｂｅｒｇ，”ＣＭＯＳ　Ａｎａｌｏｇ　外，利用本文的方法，还可以将滤波器做在芯片　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ”．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｏｘｆｏｒｄ　里面，这样，采用开关电容技术，其芯片的面积　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，ＰＰ．４３５，２００２．　Ｗ＇／）ＩＯ．ｅｃｄａ．￣ｎ　２０１０．６电手元器件主用　３９