无源梯形高阶高通滤波器的模拟设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目：无源梯形高阶高通滤波器的模拟设计 院系： 电气信息学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名：杨志 学 号： 200601030218 指导教师： 周细凤 2010年 4月 1 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。 文 献 综 述 0 引言在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器，具有成本低、电路简单的特点。按工作频率的范围，可分为低通滤波器、高通滤波器及带通滤波器。低通滤波器只有低频信号能通过而高频信号不能通过;高通滤波器只有高频信号能通过而低频信号不能通过;带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号能通过，而在此之外的其他频率的信号不能通过。滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多地情况下，被窄义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。频域与时域均衡器也是一种滤波器，通信系统的传输媒介如明线、电缆等从特性看也是滤波器。滤波器如系统一样可分为三类：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器.模拟滤波器（AF）可以是由RLC构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，它们是连续时间系统。采样滤波器（SF）由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，其幅度是连续的。开关电容滤波器、电荷耦合滤波器军属这类滤波器。数字滤波器（DF）由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。它精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。其缺点是需要抽样、量化、编码，以及手时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。另外，由于有限字长效应会造成域设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极限环振荡。1 模拟滤波器的现状 模拟滤波器可以分为无源和有源滤波器： 无源滤波器：仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如：带通滤波器用作 频谱分析仪 中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的 陷波器 ，等等。用于频谱分析装置中的带通滤波器，可根据中心频率与带宽之问的数值关系，分为两种： 一种是带宽B不随中心频率人而变化，称为恒带宽带通滤波器，其中心频率处在任何频段上时，带宽都相同； 另一种是带宽B与中心频率人的比值是不变的，称为恒带宽比带通滤波器，其中心频率越高，带宽也越宽。原理上讲，有源滤波器可以达到很高的Q值，但是过高的Q值对于有源滤波器来说是不够稳定的。有源滤波器的特性曲线不够好，有可能是你使用的运放带宽不够。从原理上，无论有源无源，实现出来的特性应该是一致的。主要还是一个制作问题。无源RC滤波器当然不能等同于有源RC滤波器，有源RC和无源LC可以实现出Bottworth函数，而用无源RC实现这个函数是很不理想的，它的最低衰耗值极高（此点鲜为人知）。所以一般不用无源RC函数作滤波器逼近函数。不仅如此，而且经过计算，无源低通二阶滤波器的品质因数非常的低，最高能达到0.5，但是这个还不是所有的频率都能够达到的。滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制（或衰减）的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。以往主要采用无源元件R、L和C组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速地发展，由它和R、C组成的源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，而输出阻抗又很低，而且，由其构成的有源滤波器还具且一定的电压放大和缓冲作用。因此，基于放大器和R、C构成的有源滤波器应用日益广泛。随着微电子学的发展，人们已经可以把一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上构成通用有源滤波器（Universal Active Filter,UAF）。这种芯片集成度高，片内集成了设计滤波器所需的电阻和电容，在应用中只需极少数外部器件就可以很方便地构成一个源滤波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是这一类通用有源滤波器的代表。它可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。它采用典型的状态可调（state-variable）模拟结构，内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积器包括1000F（5%）的电容。因此较好的解决了有源波器设计中获得低损耗（low-loss）电容的问题。2 滤波器发展前景近年来 无源梯形高阶高通滤波器的研究受到了学界的高度重视，并在通信 、信号与信息处理 ，计算机外围设备等领域得到成功运用。采用这种模 式处理信号具有比电压模式明显的优越性 具有频带宽，高传输特性 、非线性失真小、容易实现各种优势，由于其精度高 、功耗 低等特 点而受到国内外许多学者的关注为了充分发挥这些模式无源器件的特点 ，设计相应的电流模式无源电路也是很有实用价值的。 通过已知的高通型无源梯形网络，用高阶一次法对该电路 实行模拟同时给出由这种设计构思实现的两个有源网络然后证明它们的性能对元件变有源器件非理想特性变化是低敏感度的可以看出，这种设计方法使元件在取值上具大 的灵活性。且易于集成近年来，第二代电流传送器(second-generationllrreilt conveyor，简称 CClI)比运算放大器具有更宽的频 率范围、动态范围和较大的线性度等一系列优点，因而受到了国内外学者的广泛关注，大量用 cc十 的低 阶电压模式或电流模式滤波电路不断见诸报道_1 j对于高阶滤波电路，大多集中在用跳蛙法和信号流图 法实现方面 高阶无源高通滤波器，较用运放实现的同种电路，所用无源元件要少电流传送器(Current Conveyor简记CC)因具有良好的高频性能、很强的通用性和灵且可工作于 电压模式或电流模式，因而在 VLSI电路中得到了广泛应用tlo， 基于高通传输函数的逐级展开和模拟实现 ，一个新的具有较少元件的高阶 cc高通滤波器结构基于此结构 ，对二七阶最平坦型 Butterworth高通滤波器设计和 PSPICE模拟分析，其模拟特性曲线与设计指标相吻合，结果令人满意，性能更优良器进行集成时，面临着许许多多的困难和挑战。在集成连续时间滤波器的设计中，如何保证滤波器精确的和稳定的元件值，使其响与理论值相接近。再次就是集成连续时间滤波器的动态范围。特别是在高Q值和低电压的设计中，因而一般在设计中通过平衡结构来解决这个问题。但是高Q值的滤波器的设计成为连续时间滤波器设计的难点。另外，滤波器的截止频率需要不断变化，可以通过调整偏置电压或电流的方法来解决，但是在实际的应用中，怎样得到精确的偏置电压和电流也成为一大障碍。此外，随着高频应用的增多，需要提高滤波器的截止频率。因而，设计无源高阶高通滤波器成为当今的一个研究重点和热点。3 结束语我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。 随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。参 考 文 献:1焦李成.电流模式模拟信号处理的进展与展望J.电子学报,1992,20(7):87-92.2韩全庆,郭静波.电流模式全极点跳耦结构滤波器J.电子科学学刊,1994,16(5):505-511.3包应三.电流传输器型滤波器的一种系统设计J.通信学报,1997,18(7):79-83.4KARYBAKAS C A,PAPAZOGLOU C A.Low-senstive CCII-based biqua-dratic filters offering electronic frequency shiftingJ.IEEE Transactions on Circuits and Systems-II:Analog and Digital Signal Processing,1999,46(5):527-539.5王春华,沈光地,徐晨,等.用CCII回转器实现梯形结构电流模式滤波器J.电子与信息学报,2001,23(5):516-520.6王春华,沈光地.最少元件的多输入多输出MOCCII电流模式滤波器J.电路与系统学报,2002,7(4):104-107.7刘海文,李征帆.基于MOCCII多功能滤波器的设计J.电路与系统学报,2002,7(4):22-25.8GUNES E O,TOKER A,OZOGUZ S.Insentive current-mode universal filter with minimum components using dual-output currentconveyorsJ.Electronics Letter,1999,35:524-525.9WANG H Y,LEE C T.Versatile insensitive current-mode universal biquad implementation using current conveyorsJ.IEEE Transactions Circuits and Systems-II,2001,48(4):409-413.10郭静波,王赞基,戴逸松,韩庆全等.基于MCCII的差分式电流模式连续时间滤波器J.通信学报,1997,18(6):59-63.11WU J.EI-MASRY E.Current-mode ladder filters using multiple output current conveyorsJ.IEE Proceeding-G,1996,143(4):218-222.12王春华,闫健卓,沈光地.基于MOCCII的多环反馈电流模式滤波器的系统设计J.通信学报,2002,23(4):11-16.13何怡刚.基于MOCC的电流模式连续时间滤波器J.通信学报,2000,21(3):88-89.14王春华.基于MOCCII多输入单输出电流模式滤波器J.通信学报,2004,25(2):138-143.15秦世才.高清运.现代模拟集成电子学M.北京:科学出版社,2003.毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义有源滤波器是指用晶体管或运放构成的包含放大和反馈的滤波器, 无源滤波器是指用电阻/电感/电容等无源元件构成的滤波器. 在小信号下都有 EMC 问题, 当然有源滤波器要考虑供电电源的 EMC 问题, 而无源的就没有电源问题了. 无源LC梯形滤波器具有优良的灵敏度性，并且已形成了十分成熟的设计理论。因此，经由无源LC梯形滤波器直接实现高阶有源滤波器不仅是可取的，而且是设计者乐于采用的。无源高阶高通梯形滤波器根据预期指标通过查表得到LC梯形滤波器电路和参数，然后对电路作状态变量分析，再用电流传送器实现的加法器和积分器模拟状态变量，即可获得经由无源LC梯形滤波器直接实现的滤波器。二、课题发展现状和前景展望全球电信业的蓬勃发展带动了无源梯形高通高阶滤波器波的繁荣。今年，亚洲市场上数据和光纤通讯、遥控器、安全系统类消费产品，以及高科技移动电话应用成为新的增长点，无源梯形高通高阶滤波器需求将稳定增长。尽管如此，亚洲制造商由于普遍对海外市场，尤其是美国缺乏信心，在扩大产能方面很谨慎， 因而今年供给将保持稳定，报价也不会发生太大变化。产品趋向表面贴装型，预计各公司将针对特种应用进行技术升级并推出创新产品。中国内地市场和海外需求稳定增加中国内地从事声无源梯形高通高阶滤波器生产的公司不到50家，其中多为国有企业。近年，出现了一些与香港和日本合资的企业。事实上，无源梯形高通高阶滤波器的生产需要半导体设备和很高的技术，民营企业极为少见。实际内地只有十几家公司具有批量生产的能力，其它厂家的规模都很小。估计2011年整体产量为6000万只，在全球无源梯形高通高阶滤波器的6亿只产量中只占很小的份额。其中，内地市场中进口产品占主导地位。本地产品主要用于像电视接收机和录像机这样的传统需求。随着新应用领域需求的与日俱增，制造商正努力提升技术水平和产量。当前，有线电视网络正针对宽带互联网接入进行改建，预计将在本地产生巨大的无源梯形高通高阶滤波器需求。去年声表面波滤波器的整体增幅约为20，由于国内和出口市场的需求都很大，无源梯形高通高阶滤波器自去年就一直在提升产量，以应对可能的需求增长。内地的大部分产品都出口东南亚，南韩和欧美。卫星通信用的滤波器在全球市场极受欢迎。除移动电话外，光纤通信、广域网和蓝芽将在未来产生巨大需求。但如果制造商未能对生产设备和技术进行大幅度升级，就会被对手远远甩在后面。”研发将集中解决插入损耗的问题。制造商预测今年声表面波滤波器报价将会稳定。自2000年以来，此类器件的价格基本上保持不变，预计这种状态将一直持续下去。中国台湾市场需求旺盛，台湾有关方面指出，台湾的声无源梯形高通高阶滤波器制造业历史相当短，批量生产于1999年末才开始，估计该行业中只有不多的企业。用于数据通讯的无源梯形高通高阶滤波器，如无线局域网、线缆调制解调器和RF产品，还有消费产品如遥控器、监视设备和安全系统， 自去年初以来需求一直旺盛。随着模拟滤波技术的不断发展，无源梯形高通高阶滤波器也越来越成熟。目前，此技术在国外和中国台湾已有较为广泛的应用，而L无源梯形高通高阶滤波器的高级研究、开发也主要掌握在美国、日本和中国台湾等少数国家和地区的手中。其应用主要在通信领域，现分几个特殊频段予以讨论： (1)L波段(12 GHz)：由于该频段频率较低，通常采用集总或半集总元件来设计滤波器，可应用于低频段无线系统，如GPS系统、低频的无线传感网等。也可用于15 GHz GPS系统的LTCC三阶带通滤波器设计，现已在世界各地普遍使用。而基于此应用的LTCC滤波器也是层出不穷。还有一种LTCC双通带滤波器口 ，体积相当小。在该频段无线系统中使用的滤波器通常也采用表面(体)声波滤波器，有很好的滤波特性，体积和重量也大为减小，从而成为未来通信系统中滤波器的首选。 (2)用于245 GHz52 GHz的蓝牙以及无线本地局域网(wLAN)。随着蓝牙技术和WLAN的不断发展，其应用也越来越广泛，由此带动了无源梯形高通高阶滤波器的发展。用于蓝牙和WLAN的高通滤波器。它们的中心频率分别为245 GHz和525 GHz，同时实现了性能的优化和体积的减小。 (3)用于60 GHz的无源梯形高通高阶滤波器。60 GHz频段属于免许可频谱，由于其可方便用于高速无线传输，如高速网络访问、媒体流、数据高速下载等，可取代传统的电缆传输 。 无源梯形高通高阶滤波器是这些应用非常合适的选择。虽然用于该频段的无源梯形高通高阶滤波器在实际应用方面有待发展，但其研究已在深入进行。其滤波器特性很好，相对于传统的平面耦合波导滤波器，它的体积可减小一倍。无源滤波器由于其立体结构具有体积小、重量轻的特点，并且有很好的滤波性能，使得它在目前无线通信设备小型化、模块化的今天有着光明的发展前景，当前，急需解决的关键问题是创建一套成熟的无源梯形高通高阶滤波器的LC等效电路的建模方法。滤波器的性能指标有很多种，对于对信号频率具有选择性的滤波器。分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器是在传统模拟电路中发展起来的，其实就是RC电路网络。频率滤波器大概分为带通、带阻、高通、低通。特性不同的模拟滤波器中经典滤波器有Butterworth 和 Chebyshev 。其中，Butterworth 滤波器特点是通带处幅值特性平坦，而 Chebyshev 滤波器则比前者的截至特性要好，但通带处的幅值有振荡。前面提到，对于数字滤波器而言，可以采用不同阶数逼近相应滤波器，滤波器性能还与滤波器的阶数有关，一般而言，阶数越高，则逼近越精确，但计算代价也随之上升，所以性能与代价总需要寻求一个平衡点。对性能要求一定的情况下，如果对频率截至特性没有特殊要求，考虑采用Butterworth IIR滤波器。因为 Chebeshev 滤波器的波纹可能大多数情况下不能忍受。滤波器的性能指标还有一个精度效能的概念。精度效能是一相对概念，是指滤波器输出的精度相对参与滤波的备传感器精度提高的程度。 一般在研究过程中可得到三个向量： 即时刻的滤波器状态估计向量， 参与滤波的传感器的量测向量和高精度量测传感器的量测向量。 在滤波过程中，会获得滤波和量测的误差。误差具有随机性， 且与系统误羞组合在一起，一般不具有正态分布的性质。这是目前通用的判定方法。该法要求误差具有正态分布性质，为此， 我们把滤波误差看作是灰色变量， 应用灰色系统理论中的关联度概念， 来进行滤波精度的评定。计算机仿真试验表明，在各种滤波情况下关联度法都能得到满意的模拟滤波结果。 三、课题主要内容和要求（1）据技术指标要求，查规范化表格、图册、得到归一化无源LC梯形滤波器的电路和参数，并归一化，换算成实际频率下的电路参数； （2）原型无源LC梯形滤波器作出相应的状态变量方框图； （3）利用电流传送器设计出相应的电路图 （4）根据原型LC梯形电路的积分时间常数确定相应电流传送器电路的元件参数； (5)完成系统软件的设计和调试 (6)撰写毕业设计论文。 四、研究方法、步骤和措施（1） 总体设计思想 无源梯形高阶高通滤波器的设计，需要采用OR CAD软件作为开发手段。因此，掌握OR CAD软件的基本知识和操作方法是进一步展开设计的基础。在掌握了软件相关知识后，要查询资料，获得滤波器的设计原理，方法和步骤。然后据技术指标要求，查规范化表格、图册、得到归一化无源LC梯形滤波器的电路和参数，并归一化，换算成实际频率下的电路参数。确定参数后，可以画出原型无源LC梯形滤波器并作出相应的状态变量方框图；之后利用电流传送器设计出相应的电路图。最后根据原型LC梯形电路的积分时间常数确定相应电流传送器电路的元件参数，并且完成系统软件的设计和调试。本 （2） 实际测试步骤及措施：模块设计：采用OR CAD软件做为设计仿真输的方法设计输入：根据各个模块的电路功能采用OR CAD软件进行编辑设计滤波器：滤波的过程就是检验设计输入中有无实际效果等，可以根据各种参数，进行相应的修改。设计仿真：经过编译的文件再经过仿真器后，会产生相应的仿真波形图，设计者过观察仿真图可以确定各个信号结点的时序和逻辑功能是否满足设计的需要。如果满足，则证明设计正确。如不满足，则要回到设计输入中进行修改，然后依次再进行编译和仿真。 （3）总体设计：采用原理图输入法经过仿真后的各个模块会在软件中形成有相应功能的元器件。这些元器件可以供我们设计的时候用。我们可以根据总体设计的电路功能，将这些元件连接起来，从而形成一个完整的原理图。对此原理图再进行编译、仿真、适配和下载。适配和下载的目的就是将已完成的逻辑设计下载到具体的器件当中去。下载成功后，通过运行，可以在硬件中观察到设计的结果。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日