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一种低噪声宽带低通有源滤波器的设计

gecimao 发表于 2019-06-27 15:07 | 查看: | 回复:

  摘 要:本文介绍了将幅值为0.1V 的1MHz方波经过滤波不失线MHz信号的一种

  在航天遥感系统中,往往要对微弱的信号(通常小于1mV)进行处理,而微弱的模拟信号在放大过程中极易受到干扰,使传送中的信号幅值或相位发生畸变,因此,有必要对模拟信号做零漂修正、滤波等处理。另一方面,模拟信号和数字信号往往在一个高速系统中共存,较强的数字信号容易通过各种耦合途径干扰较弱的模拟信号。本文所描述的系统将模拟高频微弱信号在存在数字时钟信号的环境下经过模拟输入信道放大、滤波处理,设计了一种低噪声、高宽带的。

  根据设计要求,将幅值为0.1V 的1MHz方波(上升沿tr在10ns~20ns之间)经过滤波不失线ns之间),要求小信号由系统本身产生。这样可以将系统初步分为两大部分:信号产生部分及信号处理部分。小信号是由数字电路输出的电平为5V的信号通过衰减网络产生的,而信号的处理部分则由放大电路及模拟滤波器组成,系统的框图如图1所示。

  对于微弱信号的处理,噪声是最大的制约因素。为了将噪声抑制到最低,必须严格控制每级电路所引入的各种噪声,关键在于如何在这么宽的工作频带中,将各种噪声抑制到最小,又不能将信号中所需的高频谐波分量滤去。

  生成的方波信号必须满足低噪声要求且上升沿要尽可能陡一些,这里采用1000MHz的有源晶振产生所需要的1MHz信号。用16进制计数器161设置了一个简单的分频电路,可以得到某些低频分量,并用于检测滤波器的通带特性,这些频率源于1MHz信号,因此可用于检测是否发生了数模干扰(1MHz信号串进了低频信号),如果发生了数模干扰,经过放大后,在最后输出端很容易看到受干扰的波形。

  输入信道由衰减器和跟随器组成。为了消除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响,本文采用了阻容并联式衰减器,如图2所示。这一级的电路非常重要,它直接影响着后续电路。1MHz方波所包含的谐波分量很丰富,要使噪声尽可能低且波形边沿陡峭,在这一级必须使所有的频谱分量尽可能等比例衰减。

  电压跟随器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点,在这里起阻抗变换及隔离作用。以100mV为稳态值,规定从稳态值的10%上升到90%所需时间为10ns,则跟随器所需的压摆率为SR=8V/ms。这里采用的电压跟随器是LM310,其主要参数如下:压摆率为30V/ms,小信号频宽为20MHz,输入阻抗为1000GW,输出阻抗为0.75W。

  将0.1V的小信号放大到2.5V,需要约28dB的增益。对运算放大器来说,单位增益时的工作带宽最大,而随着增益的提高,其工作频带将变窄。为此将放大电路分为两级,分别置于滤波器的前后。这里 采用反相放大器对输入的小信号进行预放大。原理如图4所示。

  放大倍数Av=-Rf/R1,取Rf=25kW,R1为2kW的可调电阻,这样可以调整该级的增益。同相端接入输入偏置电流补偿电阻R2,尽量降低直流漂移所造成的影响。选用低噪声、低漂移以及高速、宽带型运放。若从稳态值(2.5V)的10%上升到90%的时间定为20ns,则所需运放的压摆率为SR=100V/ms。因此应选用压摆率高于100V/ms的运放。在放大电路中选用AD8011,其主要参数如下:压摆率2000V/ms,G=+1,3db带宽为300MHz;G=+2,3db带宽为180MHz;G=-10,3db带宽为140MHz,输入电压噪声(f=10kHz)为等。

  采用集成运算放大器组成有源滤波器,将方波展成傅氏级数,通过MATLAB计算带宽:在19MHz带宽时,从低电平开始上升(稳态值设为1),在4ns时上升到0.1040,在22ns上升到0.9144,这样上升沿时间只有18ns,理论上可以满足上升沿要求。而由经验公式可得信号带宽为f=1/2t=25MHz,考虑到组成电路的误差,加大了带宽的富余量,将系统带宽定为30MHz。

  巴特沃斯滤波器可近似得到一种含有合适衰减陡度的瞬态特性,其组件值计算简单。另外,这里要求滤波器的瞬态特性较好,失真小,对过渡带衰减的要求并不严格,而对巴特沃斯的非线性相位,可以在输出端设计一均衡延迟网络补偿滤波器延迟曲线,使总的延迟具有所需要的平坦度。因此,选用巴特沃斯型滤波器。

  从电路的实现方式来看,常用的有压控电源型(VCVS)滤波器、无限增益多路反馈型(MFB)滤波器等。压控电压源电路中的集成运放为同相输入接法,因此滤波器的输入阻抗很高,输出阻抗很低,滤波器相当于一个电压源,具有电路性能稳定,增益容易调节的优点。因此本文采用VCVS型滤波器。

  用3个VCVS 2阶节串联成6阶巴特沃斯滤波器,在归一化频率W=2rad/s处可以得到高于35dB的衰减。设截止频率fc=30MHz,查表获得归一化6阶巴特沃斯滤波器的极点位置如下:

  频率标度系数FSF=2pfc,阻抗标定系数为Z=100(R取100W),利用关系式:

  为了使输入信号的失真最小,希望有固定的延时。为了保持延时不变,需要延时均衡器。原理如图5所示。

  图5a所示模型的传递函数为:,如果T(s)是具有传递函数为SCR/(SCR+1)的RC高通网络,则总的传递函数变为:

  可见,在直流条件下,延时最大,为Tgd(DC)=2RC;当w=1/RC时,相移为-90辉谥绷骱臀尴薮笃德适保嘁品直鹎鹘??180J筊 可调,就可以得到相移在0麀-180涞目傻鞯娜ㄍ纭U饫顲取5pF,R取10kW可调电阻,R1取2kW。

  根据上面的设计思想和计算所得的电路参数,按照抗干扰的原则进行PCB布线、制板,之后逐级安装各个组件、逐级测试,最后进行系统调试。最后得到的输出信号结果如图6所示,输出信号的上升时间为 29.5ns;下降时间为26.4ns;噪声电平为18mV;过冲为5%;3dB带宽为30MHz;信号峰-峰值(Vpp)为2.56V;完全达到了系统设计所提出来的指标。■

  1. 何希才,刘洪梅.新型通用集成电路实用技术.北京:国防工业出版社,1997

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