EDA技术应用 实验例程 实验4 ispPAC10二阶滤波器的实现.docVIP

PAGE PAGE １４２ 实验四 ispPAC10二阶滤波器的实现 介绍 在这个实验中我们将讨论怎样用ispPAC10来实验高精度的二阶滤波器。 从ispPAC10的芯片介绍中可知，芯片是由四个完整的模拟电路模块即PACBlock组成的（如图36），每个PACBlock又由运算放大器、电阻、电容组成，因为ispPAC10的灵活性，可以在不需要外部元器件的情况下改变增益、Q值、截止频率。 图36 PACBlock结构图 一个单一的PACBlock能够配置成为一个可编程的单极性低通滤波器或积分器，多个PACBlock能够在ispPAC10内部连接在一起组成更高级数的滤波器。等式为： ………………………….(1) 滤波器参数 滤波器的分类是根据它们所实现的功能进行的，经常根据它们的典型频率，如低通、带通等，它们完成最佳功能的是在一个固定的时域，如通过延时均衡器。 二阶功能的普通表达是根据衰减系数（阻尼系数）ζ和无阻尼固有频率（等幅自然频率）ω0来确定的，等式为： H(s)=S2+2ζω0S+ω02………………………(2) 当S1时，这个表达式的根是复共轭数，在图37中把根用S域表现出来。 图37 S域图 ……………………..……..……………(3) ……………………………….……………..(4) 在二阶系统中使用两个表达式中的之一用Q来代替衰减系数（阻尼系数）： ……………..(5) 这个表达式在滤波器设计中经常用到的，衰减系数（阻尼系数）和Q的比例关系为： …………………………………………………….(6) 通常转换传送功能的极点被认为是系统固有的，这是因为它们不会随输入波形而变化。当这些根值变得复杂时，系统的反应表现为欠阻尼，当根值靠近jω轴（左边），我们可以在两个时间域中的看到它的影响，同样增加过冲时间和沉降（稳定）时间，可以在频率域中看到对幅度响应峰值的影响。之所以出现这种现象是因为根值越靠近jω轴相应地会减少衰减系数（阻尼系数）或更高的Q，二阶部分通过Q和ω0所体现。我们通过对单个二阶部分的这些值进行控制，经过级联后完整的滤波系统将会生成及控制。 二阶的布局实现 在等式（1）中可以实现多种不同的二阶功能，一个共同的方法是在每一个二阶中使用一个运放，这些带单放大的二阶系统通过反馈的类型（是正还是负）来分类的。在这里有更广的分类和更多的实现方法推荐，在同一种正确的结果中有不同的布局连线方式，包括：器件的个数、器件的扩展、合适的频率、滤波器功能类别的规定和对有源及无源器件的敏感性。 三运放的二阶系统 图38所示的就是由三运放组成的功能方块图，图39所示的是该系统的原理图。这个滤波器是同有损耗的积分器组成。 图38 三运放二阶系统方框图 图39 三运放二阶系统原理图 ispPAC10能够实现在图39中所实现的电路及功能，实际上是因为每一个PACBlock都能实现对两个信号相加或相减功能，所以我们可以利用两个PACBlock来实现上述功能，内部电路连接见图40和图41。每个PACBlock的输出见等式（7）和（8），K的值是每一个输入放大器的增益值，CF值是反馈电容值（图40），从输出到反馈我们跟踪信号可以发现，K21要设为一负数以得到一个负反馈，这个我们可以对IA2进行简单的操作就可实现。 图40 ispPAC10实现三运放二阶滤波器（一） …………………………………………………………..（BANDPASS）（7） ……………………………………………………………(LOWPASS) (8) 图41 ispPAC10实现三运放二阶滤波器（二） 低通滤波器和带通滤波器的计算通式为： …………….(LOWPASS) (9) ……………(BANDPASS) (10) 比较等式（7）、（8）、（9）、（10），定义Kn=|K21|，我们可以派生出下面的等式： (LOWPASS) (11) (BANDPASS) (12) (13) (14) ispPAC10滤波器在实际应用中，可编程的电容阵列将近有120多种值的变化，其精度在±1.0%，经常在10KHz到100Khz范围时用来给出F0值，PACBlock最大增益为10的限制，使得滤波器Q值≤10。最大输入幅度是随放大器的增益和Q值变化的，我们必须加以限制以消除PACBlock放大器的过载，但ispPAC10可编程增益这一特性使得这一过程简单化。 在低通滤波器中，使Q≥1，就有一个接近F0的补偿，补偿等近似于Q，为了使反馈信号不使K21增益块不超载，对Vin可