第２９卷第３期 誊 ｉ簸 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．３ ２０１１年９月 ＪｌＣＨＥＮＧＤｌＡＮＬＵＴＯＮＧＸＵＮ Ｓｅｐ．２０１Ｉ 一种有源带通滤波器动态范围改进的方法 高加林杨翠侠李有池 （中国兵器工业第２１４研究所 苏州２１５１６３） 摘要通过对某混合集成有源带通滤波器的电特性试验、原理结构分析，并借助计算机模拟仿 真，找到了有源带通滤波器动态范围不足，大信号输入时出现三角波失真的原因，并经过对有源带通滤 波器传输链路增益特性的分析，给出解决有源带通滤波器动态范围受限的方法。 关键词有源滤波器动态范围 削渡失真三角波失真 引 言 现预定的功能。 本文通过对某混合集成带通滤波器动态范围 由于有源滤波器具有不使用电感、体积小、重 不足的问题进行试验，结合计算机仿真分析，找到 量轻、输入阻抗高、输出阻抗低、便于调整、稳定性 了输入动态范围偏小的原因，并通过计算机仿真计 好，且具有一定的信号放大和缓冲等优点，特别是 算，提出了扩展有源滤波器动态范围的有效方法。 在低频端，有源滤波器的体积和稳定性优势是无 源滤波器无法替代的，所以，在许多要求较高的信 １ 有源带通滤波器结构 号处理系统中，均采用有源滤波器来完成信号拾 某混合集成有源带通滤波器通带范围是 取、传送，噪声抑制等。 ２．８ＫＨｚ—ＩＯＯＫＨｚ，通带增益为０ｄＢ，工作电源电 有源滤波器虽然有诸多优点，但是在实际应 压是±１２Ｖ，由５阶低通滤波器和５阶高通滤波 用中，往往由于结构设计不尽合理，或电源使用不 器串联构成。滤波节均为切比雪夫型滤波器。原 当，不能充分发挥有源滤波器的优点，甚至不能实 理框图如图１所示： 第一低通滤波节 第二低通滤波节 第三低通滤波节 二阶低通 二阶低通 一阶低通 第一高通滤波节 第二高通滤波节 二阶高通 二阶高通 第 一阶高通ｌ。… 节卜。ｕＴ 图１ 带通滤波器原理框图 滤波器模块样品完成试制后，对其中１只样 测试结果与频谱分析仪测试结果一致。 品进行测试。滤波器的输入端输入幅度为２Ｖ 的正弦信号，输入信号频率范围为２．２ＫＨｚ一 ２ 大动态功能缺陷 １２８ＫＨｚ，采取频率抽样方式逐点测试滤波器幅频 使用过程中要求改变输入信号电压范围，由 特性。测试结果转换成幅频特性曲线图，如图２ 原来的２Ｖ即以下扩展到ｌｌＶ即以下，并要求输出 所示。图中横坐标单位为ＫＨｚ，纵坐标单位为 信号无失真。在扩展应用过程中发现低频大信号 ｄＢ。低端３ｄＢ截止频率为２．８５ＫＨｚ，高端３ｄＢ截 失真严重，高频大信号衰减超标，滤波器动态范围 止频率为１００．６ＫＨｚ。通带增益近似为ＯｄＢ。此 偏小。 ｌ８ 萋 溅； 萋 第２９卷第３期 按照改变后的要求对其通带特性进行测试。 输入信号频率范围不变，幅度改为１ １ Ｖ ．采用频 率抽样方式测试。将测试结果转换成幅频特性曲 线如图３粗线所示。图３中细线是输入信号幅度 为２Ｖ 的测试结果。比较两种情况下测试结果 可以看出，在低端截止频率和高端截止频率附近， 输人大信号情况下滤波器衰减较多，通带特性变 化较大。在大信号工作情况下，滤波器高低截止 频率偏离较多，尤其是高端截止频率由１００．６ＫＨｚ 下降到８７．８ＫＨｚ。 图３小信号、大信号幅频特性对比图 输入信号幅度仍为１ １Ｖｐｖ，用示波器观察滤 对仿真模型进行小信号和大信号幅频特性分析，观 察最后的输出结果如图４所示。图中◇２Ｖ 是输 入信号为２Ｖ 时滤波器的通带特性仿真计算结果， △１１Ｖ 是输入信号为ｌｌＶ即时滤波器的通带特性 波器输出的正弦信号波形。在２．８ＫＨｚ附近，输 出的正弦信号波形畸变为三角波特性波形，输出 电压幅度也有所减小。在８０ＫＨｚ一１ １０ＫＨｚ之间 输出信号波形无明显畸变，但是输出电压幅度明 显减小，尤其是９８ＫＨｚ处衰减５．９ｄＢ。测试结果 显然达不到使用要求。 仿真计算结果，Ｘ ｌｌＶ仲一ＯＵＴ是输入信号为Ｉ１ＶＰＰ 时滤波器的直接输出信号幅频特性。由仿真模型 幅频特性计算结果看不出功能异常现象。 为了便于观察实际的电压特性，用电压探头 ３ 原因分析 为了寻找出现上述异常现象的原因，建立带 观察仿真模型各个滤波节点的输出。输入信号仍 为１１Ｖｖｐ，滤波节点输出如图５所示。 通滤波器仿真模型，进行计算机辅助分析。首先 第２９卷第３期 萋 篝 １９ ｒ Ｉ － ’ ● ‘ ● Ｉ ●，＿、、、 － 一１－ 一一ｒ ●－ ●０ Ｉ Ｉ ● ． ＼ ＼ Ｉ Ｉ Ｉ ● Ｏ ＿ ．． 。 Ｉ－ 一－● Ｉ ● ●Ｉ －Ｉ ●ｌ Ｉ Ｉ● ：’ ： ：＼ 。 。＼． ６ 『 ： ： ： ＼． 、 ． 妊 《 ‘ …厂． ‘． ：口・！喀 Ｐ－ｒ－一 ＾ ＝１ ｝ 。 ．： …．． 主 ＿●－ 一热 ●● ｌ０ｌ刁｝ｒｚ ０●－。 ２０ＫＨｚ ０Ｈｚ ｉ００ＫＨｚ Ｚ００髓ｚ ０Ｈｚ 口Ｖ ｃＦＩＲＳＴ ＬＰ １ＩＶ） ｏ ＶｉＹＩＩ￣ＳＴ ＨＰ １１７） ｏ Ｖ ｃ ＳＥＣ０１ｑ１）ＬＰ１１７）Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 一一＋ＶｆＳＥＣＯＮＤ ＨＰ １ＩＶ） Ｘ Ｖ《ＴＨＩＲＤ Ｈｐ １ＩＶ） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 审Ｖ《ＴＨＩＲＤ Ｌｐ １ｌＶ） （ａ）低通滤波器 （ｂ）高通滤波器 图５ ｌ１ＶＰＰ输入各低通滤波节输出特性图 由图５的ａ图可以看出，在１００ＫＨｚ左右，低 源限制，所以，带通滤波器最后的输出仍然保持带 通滤波器的第一滤波节输出一个峰值，幅度超过 １５Ｖ，接近２０Ｖ，这显然超出工作电源电压１２Ｖ的 限制；同样，在图５的ｂ图中，第一高通滤波器的 内增益一致性，这也就是从图４中看不出小信号 和大信号幅频特性差异的原因。 由图５的ａ图可以看出在１００ＫＨｚ左右，第 滤波节在３ＫＨｚ左右输出一个超过工作电源电压 的峰值，这与实际情况不符。这是由于计算机模 计算，导致输出电压幅度超出工作电源。但是，由 模拟仿真结果可以看到一个现象：第一低通滤波 节和第一高通滤波节在截止频率附近存在较大增 益，第二低通滤波节和第三低通滤波节对第一低 低通滤波节的最大增益超过３倍；图５的ｂ图 可以看出在３ＫＨｚ左右，第一高通滤波节的最大 一拟交流分析时，不受工作电源电压限制，只做理论 增益接近３倍。实际工作时，当输入信号幅度为 ｌｌＶ 时，在截止频率附近，第一低通滤波节和第 一高通滤波节应发生输出削波失真，输出信号应 含有较高幅度的多次谐波分量。在１００ＫＨｚ左右 发生削波时，其谐波分量已在带外，经过后面两级 衰减，谐波分量远小于主波信号，所以不会导致输 出波形畸变，但是主波分量被后两级低通滤波器 衰减，导致输出幅度偏小；在３ＫＨｚ左右也应发生 通滤波节产生的增益进行衰减；第二高通滤波节 和第三高通滤波节对第一高通滤波节产生的增益 进行衰减。但是，由于模拟仿真计算不受工作电 誉慕谶 削波，由于其谐波分量落在带内，几乎没有衰减， 篓 第２９卷第３期 下面通过时域仿真计算来验证上述分析。首 先分析３ＫＨｚ左右的失真现象，在高通滤波器模 型的输入端输入３ＫＨｚ，１ＩＶ 的正弦信号，观察各 而主波分量被第二、第三高通滤波器衰减，导致谐 波分量比例加大，所以最后的输出波形会严重畸 变，出现第二节所述的三角波失真现象。 ● － ● ● ● ● ● ● 级高通滤波器的输出波形如图６所示。 － ● ● ● ： ： ： ： ： ： ： ： … ： ： ： ： ’ 蕊 一 蕊 ｉ一．切 一 … ；ｎ＼ ：Ｉ…＇ － ．户－：… …ｌ１． … ２．Ｏｒｅｓ ———■■ … ２．Ｓｍ０ ３．０皿 １．０ｍｓ —一１．Ｓｍｓ 口Ｖ ｃ￣ＩＲＳＴＨｐ１ＩＶ） ｏ Ｖ ｃ ＳＥＣＯＮＤｌ－ＨｐＩＩＶ）Ｖ ｃ ＴＨＩＲＤＨＰｌｌｖ） Ｔｉｍｅ 图６高通失真波形图 图６中标记为口的波形是第一级高通滤波 节的输出信号。显然，第一级高通滤波节的输出 信号发生削波失真现象，正弦信号的顶端出现平 顶。标记为◇的波形是第二级高通滤波节的输出 信号，第二级高通滤波节对第一级高通滤波节输 出的主波信号衰减，而谐波分量几乎不衰减，所以 第二级的输出幅度减小。标记为 的波形是第三 变成三角波，与前面分析一致。下面将高通滤波 器输出时域波形进行傅立叶转换，观察其各级信 号的频谱分量。傅立叶转换结果见图７。 由图７对比可以看出，第一级高通滤波节输 出主波信号幅度最大，后面两级依次递减，且递减 速度较快，而谐波分量在各级高通滤波节的输出 幅度几乎相等。这就验证了高通滤波器的大信号 三角波失真原由。 其次，我们通过时域模拟计算来分析低通滤 级高通滤波节的输出信号。很明显，第三级高通 滤波节的输出信号幅度进一步减小，波形已完全 …Ｌ＿－ｌ ｊ．． ． ）ｆ ；— 一 ．＿● 。 ’精 …ｌ１ ＝＝＝ ＇： ： ： Ｉ ｌ： ： ： ’ 。 ｉ。 ・…▲ ：： ．． “‘ ＾ ・Ｊ● 一 ‘ 一＿－＿ 一‘ ● ●● ● ● 坩～ 一一 一一 ‘ 。・ 硅饵ｚ ３．００ｌ疆ｚ ４．００ｌ口 ２ 撼 —¨｝ ‘ ｉ ｛ 菇 圭 口Ｖ ＣＰＩｎＳＴ Ｈｐ １１Ｖ， ｏ Ｖ ＣＳＥＣＯＮＤＨＰＩＩＶ） ＿ｎ Ｖ ＣＦＩＲＳＴ－丑Ｐ＿ＩＩＶ） 々Ｖ（ＳＥＣＯＮＤＨＰｌＩＶ）——Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＿Ｖ ｃＴＨＩＲＤ－ＨＰ＿ＩＩＶ） Ｖ ＣＴＨ工ｌｌＤ Ｈｐ ｌ１Ｖ， （ａ）主波 （ｂ）谐波 图７ ３ＫＨｚ附近傅立叶转换主、谐波对ｂ匕图 第２９卷第３期 篓 羹 ２１ 波器１００ＫＨｚ处幅度偏小现象。在低通滤波器的 信号，观察各个低通滤波节的输出波形，时域波形 输入端输入幅度为ｌ１ ＶＰＰ，频率为１００ＫＨｚ的正弦 见图８，傅立叶转换频谱波形见图９。 ．Ｌ．．Ｌ．．Ｌ．．． －－ 。’ 。・ 。‘ 。。‘｝‘‘ ’。 。’ ‘。ｊ。 。’。 。－ ： 一一｛●：。。 ：Ｉ 。 ’。 ： ‘。 ： ：。。÷ ‘。 ： 。 ．．．Ｌ．．Ｌ．．Ｌ ｆ矗．． ．． … ：』：．１俺 ｝ ＿Ｊ● ● 。 ‘ ‘ … Ｉ。 ’’ ＩＪ ｊ ： ： 一～卜 ：＼ ＼ 。 。 ‘。 ＼ 二 ，．．＿．．－．＿． 已 】』Ｉ．・ ． Ｉ －ｌ５Ｖ ３．４Ｓ３３ｍｓ ３．４６０Ｏｍｓ ３．‘圭７００ｍｓ ３．４８００ｍｓ ３．４９０Ｏｍｓ ３．５Ｏ００ｍｓ 口Ｖ ｃ ＦＩＲＳＴＬＰ—一１ＩＶ） ｏ Ｖ ｃ ＳＥＣＯＮＤ＿ＬＰ一１ＩＶ） Ｖ ｃ ＴＨＩＲＤ—ＬＰ—ｌＩＶ）Ｔｉｍｅ 图８低通滤波器失真波形图 由图８中和图９可以看出，１００ＫＨｚ处，第一 放大，再经过后面两级低通滤波节的衰减，导致低 级低通滤波器输出信号被削波，含较多谐波分量， 通滤波器输出的主波信号分量在１００ＫＨｚ处比理 第二、第三级输出正弦波主波幅度逐级递减；其谐 论值小（３ＫＨｚ处也一样）。 波分量在第二级处就被衰减到８％以下，第三级 综上所述，由于存在低通滤波节和高通滤波节 几乎没有谐波分量。所以最后的输出波形是完整 在截止频率附近有较大增益，输人大信号时产生削 的正弦信号特性。但是，由于第一级低通滤波节 波失真，经过后级衰减和谐波分量的去、留，产生高 输出幅度被工作电压限制，不能够实现理论上的 频段输出信号幅度不足，低频段产生三角波失真。 。。‘ ：●－ 。。ｉ：●Ｉ ‘。。 ：／＿＿ ７ｒ Ｊ ｉ 。ｉ。。’ 。 。’。 ● Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ●ｆ ＾一・・ － ．－－－ 一● Ｉ Ｉｒ Ｊ － Ｉ ●Ｊ ， ● ‘ ， ● ● ●， 。‘’。・。。。ｔ’ ’ｒ下‘‘ Ｉ ” ● Ｉ ，●， ● ● Ｊ ● ‘ ，ｒ 。…．－‘’ｔ。１。 … ● ０ Ｉ，● ● ●， ● ／ ● ●ｒ，０／ ．．．．Ｉ．．．■ ． ，．．． ● ０ 一 ● Ｉ ／● ＇ －●， ’ 。 一 －Ｖｍ ０Ｖ ９９．６０Ⅺ把 １００．０ＯＸＨＺ ｉ００．４０ＥＨｚ ０Ｈｚ ０．Ｓ衄ｚ １．０１￣ｌＨｚ 口Ｖ ｃＦＩＲＳＴ ＬＰ １ＩＶＩ 口Ｖｃ ＦＩＲＳＴＬＰ１ＩＶ） —一ｏ Ｖ ｃ ＳＸＣＯＮＤ ＬＰ １ＩＶ） ￣ｒｅｑｕｅｎｃｙ 々Ｖｃ ＳＥＣＯＮＤＬＰＵＶ）Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ——Ｖｌ ＴＨＩＲＤＬＰｌｌＶ） Ｖ ｃＴＨＩＲＤ ＬＰ １ＩＶ） ——（ａ）主波 （ｂ）谐波 图９ １００ＫＨｚ傅立叶转换主、谐波对比图 ４大信号功能缺陷的改进设计 募 釜喜 篆 为了能够找到解决问题的方法，对低通滤波 个滤波节单独输入信号进行交流特性分析，模拟 ２２ 仿真结果见图１０。 萋 溅； 萋 第２９卷第３期 带范围内均有增益，９４．７３ＫＨｚ处达到最大值１０．６ ｄＢ；第二滤波节在局部范围内有微小增益；第三滤 ： ： 从图１Ｏ仿真结果可知，第一低通滤波节在通 ＝＝ ．』 量： 鋈： －曩一 ・ ：ｌ ～；１： ： …㈡… ≮ 鬻 ０Ｈｚ １００ＫＨｚ ２００ＫＨ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏ ＤＢ ｃＶｆＦＩＲＳＴ ＬＰ ｌＩ叮Ｉ ｊ ＤＢ ｃＶ《ＳＥＣＯＮＤ Ｌｐ ｌｌＶ）） 孵－｝ ； １０ＫＨｚ ＿０Ｈｚ 口ＤＢ（Ｖ ｃ】 ＩＲＳＴ ＨＰ １ＩＶ）） 々ＤＢ ｃＶ ｃ ＳＥＣＯＮＦ ＨＰＺＺＶ））Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＤＢ ｃＶ《ＴＨＩＩ∞ＨＰ ｉｉＶ）） ＾ＤＢｌＶｆＴＨＩＲＤ Ｌｐ １ｌＶ）） （ａ）低通滤波节 图ｌＯ滤波节通带特性图 （ｂ）高通滤波节 波节在带内、外均呈衰减特性。由前面分析可知， 完全呈现衰减特性。按照上述分析，将第一高通 滤波节和第三高通滤波节对调，也可以保证高通 滤波链路的增益乘积始终小于１倍或接近ｌ倍。 如此调整可以使整个通带范围不会产生大信号工 大信号失真主要是由第一低通滤波节的增益造成 的。如果能够使低通滤波器传输链上增益乘积小 于或接近１倍（无额外增益要求时），就不会产生 大信号失真。从图ｌＯａ可知，将第三低通滤波节 和第一低通滤波的顺序对调，使输人信号先经过 一作情况下波形畸变失真或增益异常。 如上所述，将带通滤波器模型的顺序进行调 整，输出节点标记不变。在模型的输入端依次输 定的衰减再传输给后级，这样低通滤波链路的 增益乘积始终小于ｌ倍或接近１倍。同样，高通 滤波器的第一滤波节在带内均有增益，第二高通 入１００ＫＨｚ、１５ＶＰＰ正弦信号和３ＫＨｚ、１５ＶＰＰ正弦信 号，观察模拟仿真波形如图１１。 上图显示，调整滤波节顺序后，带通滤波器在 １０Ｖ ．一滤波节在局部范围有微小增益，第三高通滤波节 １０Ｖ …婪 里 ｌＪ５Ｉ．４ｉ１５６）！ ‘ １哪 ， ２ ４ …：： … 一 ０． 黼…０．０．． ０。。 。 … 一 。 ‘ ３．０Ｏｍｓ ３．０１ｍ 口ＶｆＴＨ工ＲＤ ＬＰ １５ＶＩ 一１．０址５ １．５ｍｓ ×Ｖ ｃＦＩＲＳＴ ＨＰ １ＳＶｌ ＾Ｖ（ＳＥＣＯＮＰＨＰ—一々Ｖ ｃ ＳＥＣＯＮＤＬＰ１５Ｖ） —一工５Ｖ）Ｔｉｍｅ Ｖ Ｃ，ＩｎＳＴ ＬＰ １５ＶＩ Ｙ Ｖ ｃＴＨＩＲＤ Ｈｐ １ＳＶ） （ａ）１００ＫＨｚ输出波形 （ｂ）３ＫＨｚ输出波形 图１ １ 调整顺序后两截止频率附近输出正弦波形 第２９卷第３期 羹 萋 输入１５ＶＰＰ正弦波信号下，各个滤波节输出电压 将第一高通滤波节和第三高通滤波节顺序进行对 幅度均无削波失真，３ＫＨｚ处无畸变失真，１００ＫＨｚ 调，使带通滤波器传输链路增益乘积小于或接近 处增益正常。说明合理设计多阶滤波节串联顺 １倍。改进设计后的带通滤波器动态范围扩展到 序，调整滤波节链路增益，使滤波节传输链路增益 ｌ５Ｖ 。完全满足使用要求。 乘积小于１倍或接近１倍，可以消除大动态失真 在后续设计的多款带通滤波器中，均采用此 缺陷，确保带通滤波器动态范围不会被压缩。 种方法，合理调整滤波节链路增益，再未出现大信 ５ 结束语 号动态失真的问题。 对某混合集成有源带通滤波器按照上述方法 参考文献 进行改进设计：所有滤波节参数不作变动，仅将第 １ Ｗａｌｔ Ｊｕｎｇ等．运算放大器应用技术手册． 一低通滤波节和第三低通滤波节顺序进行对调， 北京：人民邮电出版社，２ｏ０９．１ （上接第１６页） 参考文献 ７ 结束语 １ 朱臻，邵志标．低噪声高精度运算发达起输 本文重点研究了ＰＪＦＥＴ管制作的关键工艺 入级的设计［Ｊ］．微电子学，１９９９，２９（４）：２９７－３０１ 技术。采用ＰＪＦＥＴ顶栅的掩模板进行栅区光刻 ２税国华等．ＰＪＦＥＴ与双极兼容工艺技术研 和一次栅区磷注入，之后进行一步栅区氧化将顶 究［Ｊ］．微电子学，２００９，３９（４）：１００４－３３６５ 栅的结深达到设计值，经过栅区氧化对磷杂质进 ３ 范爱平．ＪＦＥＴ可变电阻的分析及应用 行激活，形成Ｎ型顶栅结构的ＰＪＦＥＴ管。开发出 ［Ｊ］．电子工程师，２００１，１７（７）：３９—４３ 一种ＰＪＦＥＴ与双极兼容工艺，已经应用在多种 ４王玲等．结型场效应晶体管放大器的噪声 ＪＦＥＴ一双极电路兼容电路的研制中。 ［Ｊ］．电路与系统学报，２００３，８（３）：１３２—１３４
