单片机与DSP中的频率可自动调节的高线性度低通滤波器设计

摘要： 为提高在电力网载波通信系统中发射端低通滤波器的频率响应和线性度， 同时也为了节省成本， 文中给出了把低通滤波器放在芯片里面， 并通过使用电阻和MOS管级联来组成一个可变电阻， 同时把MOS管放在反馈系统中来提高低通滤波器的线性度的低通滤波器的设计方法， 利用该方法设计的四阶切比雪夫Ⅰ型低通滤波器的-3dB截止频率为164kHz， 输入输出摆幅为1Vpp。 　　0 引言 　　低频低通滤波器通常有两种形式， 一种是开关电容型滤波器， 另一种是连续时间型滤波器。开关电容型滤波器的截止频率由时钟频率和电容的比值来决定， 所以非常精确。但是它有两个缺点： 首先， 由于它的采样特性， 使得它在 低通滤波器在电子系统中扮演着至关重要的角色，特别是在电力网载波通信系统中，它们用于滤除高频噪声，确保信号传输的准确性和稳定性。本文主要探讨了一种适用于单片机与数字信号处理器（DSP）环境的，频率可自动调节且具有高线性度的低通滤波器设计方法。 低通滤波器的设计通常有两种基本类型：开关电容型和连续时间型。开关电容滤波器以其精确的截止频率受到青睐，但因其采样特性，需要额外的抗混叠和输出平滑滤波器，且易受时钟馈通和电荷注入影响，导致线性度下降。相比之下，连续时间型滤波器在低频应用中表现出更好的优势，尤其是RMOS-C-Opamp型结构，它可以节省芯片面积并实现截止频率的动态调整。 文章中提出的方法是采用R-MOS-C-Opamp型结构，通过级联电阻和MOS管来构建可变电阻，并将MOS管置于反馈系统中，以提升线性度。具体实现上，通过四个MOS管M1、M2、M3、M4构建差分型可变电阻，理想情况下能提供良好的线性度。然而，由于实际中的MOS管不匹配，线性度会受限。为改进这一点，文章采用了改进型R-MOS结构，通过分压作用减小MOS管两端电压，从而改善线性度。 低通滤波器的线性度提升技术是基于反馈的，将MOS管和运算放大器组合成积分器，形成一阶滤波器结构。通过环路增益的调整，可以有效减少MOS管的Vds，提高线性度。然而，随着输入频率的升高，这种提高效果会减弱。 为了克服这一限制，文章提出了自动调节电路。该电路利用开关电容技术来精确控制时间常数，形成主从型调节网络，确保滤波器在不同频率下的性能。这样，即使在接近截止频率时，也能保持较高的线性度。 设计出的四阶切比雪夫I型低通滤波器，其-3dB截止频率为164kHz，输入输出摆幅达到1Vpp，显示了该方法的有效性。这种方法不仅提高了滤波器的频率响应和线性度，还降低了设计的复杂性和成本，尤其适合集成在单片机或DSP系统中，为电力网载波通信提供了高效可靠的解决方案。 文章提出的低通滤波器设计策略强调了结合电阻和MOS管的创新方式，以及利用反馈和自动调节电路来优化线性度和频率响应。这种方法对于单片机和DSP系统中的实时信号处理具有重要意义，有助于提升整个系统的性能和可靠性。