集成方案簡化模擬濾波器設計

　　摘要：本篇應用筆記介紹開關電容濾波器用于ADC (模數轉換器)輸入端抗混疊和降噪以及DAC (數模轉換器)輸出端信號重建濾波的優勢。總結了MAX74xx系列開關電容濾波器相對連續時間有源濾波器的優勢并給出了一些應用實例。

　　模擬濾波器在電子信號合成系統中應用廣泛，可為ADC提供抗混疊和降噪，為DAC提供信號重建濾波1。不同的設計要求需要使用不同的濾波器架構，常用的濾波器有貝塞爾、巴特沃思以及橢圓濾波器。

　　貝塞爾低通濾波器具有線性相位響應，通帶無紋波、阻帶單調衰減，適合時域應用。巴特沃思低通濾波器在通帶內具有最平坦的頻響，阻帶的單調衰減也比貝塞爾濾波器陡峭，但相位響應隨頻率非線性變化，這使得巴特沃思低通濾波器非常適合基于幅度的應用。而橢圓低通濾波器具有接近平坦的通帶響應和極為陡峭的阻帶衰減，是基于幅度的抗混疊應用的最佳選擇。

　　設計和實現連續時間有源濾波器非常具有挑戰性，需要使用多個高性能運放和精度很高的無源器件。設計挑戰包括如何選擇最優的濾波器架構，還需要使用專用的濾波器計算軟件2。另一個簡單的方法是使用高度集成的SCF (開關電容濾波器)，SCF可以大大減少外圍元器件數目，使濾波器調諧十分簡單，并可降低系統功耗。本文通過分析如何實現一個連續時間濾波器和一個SCF來說明其在性能和復雜程度上的不同。

　　如上所述，貝塞爾濾波器的特性使其非常適合時域應用，因為它們在示波器/分析儀這類測試應用中幾乎沒有失真。但設計者通常需要構建更高階的貝塞爾濾波器(這意味著比巴特沃思或橢圓濾波器的極點更多)來實現足夠大的阻帶衰減。

　　圖1所示原理圖為5階、1.0kHz、低通貝塞爾濾波器，設計基于Sallen-Key架構，為減少元器件數目進行了優化，使用精度為1%的標準電阻和精度為5%的標準電容。為確定外圍元件值，使用了濾波器設計軟件FilterPro?，并用PSPICE仿真工具進行了驗證。

　　圖1：兩個運放和多個無源元件構成5階、1.0kHz、低通貝塞爾濾波器。

　　許多情況下，輸入和輸出RC濾波器還需要一個額外的運放作緩沖，尤其是當信號源阻抗較高(大于幾百歐)或濾波器輸出的下一級輸入阻抗過低(低于幾百kΩ)時。

　　貝塞爾濾波器的SPICE仿真結果如圖2所示，該頻響圖是同一濾波器進行100次Monte Carlo仿真計算的結果。SPICE仿真器通過在標稱容限范圍內隨機改變外圍元件值模擬器件的差異，仿真結果揭示截止頻率會在fC = fIN -3dB ± 0.6dB范圍內變動，這是電容和電阻值在標稱容限內變化引起的。

　　圖2：5階貝塞爾濾波器SPICE仿真頻響結果。