模拟滤波器设计流程

模拟滤波器设计流程——（一）基本概念

预备知识
基本的电子电路常识，信号与系统中的频域，零极点，传递函数，拉普拉施变换等概念。
一．模拟滤波器分类
由于知识所限，这里我们只谈谈模拟滤波器。从频域上可以划分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器和全通滤波器等。这种划分方式便于做系统模型分析。而按照应用来划分不外乎就是滤波，均衡，延时等。按照应用来划分的方式不是很容易说清楚，因此我们还是应当将应用指标要求对应到不同的滤波器类型上面。
二．设计模拟滤波器
怎样设计？需要指标要求，而指标的获得应该是从系统划分开始。对于滤波器的性能指标要求，系统往往会给出一个底线。
系统仿真在这一步尤为关键，系统仿真不仅可以给出滤波器的指标，也可以验证不同类型滤波器对性能的影响。如果能够使用matlab作为仿真工具，这一步就会变得很简单，simulink提供了不同类型滤波器的model，直接调用就可以了。当然，如果你对各种类型滤波器的优缺点非常了解，那就很容易确定适合的滤波器类型了，后面的事就是具体的电路实现，这里不再详述。不过能够做一下系统仿真要更保险一点，毕竟在后期电路实现的时候还会出现很多非理想因素，如果前期能购通过系统仿真为各个模块指标留出足够的裕量，这是是很明智的。
三．模拟滤波器类型
上面说的是如何选择滤波器的方法，那么各种类型的滤波器在指标和性能上又有什么区别呢？第一步，我们首先要了解滤波器的关键指标有哪些.。
性能指标包括两方面的内容：频域上我们关心的是截止频率fc，3dB带宽BW，中心频率f0，带外抑制度（阻带衰减），通频带纹波等；时域上有冲激响应，阶越响应，群时延等等。不同类型的滤波器性能优缺点就表现为其中的几项。应用的需求可以直接反映为对截止频率，阻带频率，抑制度，以及时延等特性的要求。

预告：后面准备用一个贴对各种类型的滤波器特性做简单的总结和介绍，和滤波器选择方法；再用一个贴介绍我做过的一个滤波器设计流程。敬请关注!

模拟滤波器设计流程——（二）分类

滤波器设计（on chip）可能算是我这几年工作接触最多的一个方向了。然而到现在我还是觉得很难去给出一个模拟滤波器的基本概括，因为感觉其中涉及的东西太多，自己了解的东西还是太肤浅。

最开始做滤波器的时候比较盲目，领导分配了指标却不知道从何处入手，只能找些参考资料来看看。关于模拟滤波器的分类这一话题，不同的资料有不同的说法，不知道该信谁的，也不知道究竟应该怎样去理解书中的知识，简单概括一下就是“抓瞎”。滤波器的类型，阶次，拓扑结构等等概念经常是混淆不清。当时很多电路感觉都是硬着头皮在做的，好在都还没出什么问题。做多了几次，有些觉悟了，问题还是很多，但对于滤波器也有了点自己的理解方式。

从我的观点来看，理解滤波器的分类首先具备基本的系统设计与信号处理知识。这两个背景知识对于理解滤波器相关概念和设计方法也是非常重要的

书本上经常提到的那些滤波器不外乎有源，无源，低通，高通，带通，带阻等等。有源与无源之分，无非就是看滤波器有无电源供电；而低通，高通等等分类方法，则是根据有用信号所占据的频段来划分的，信号的频段决定了你所选择的滤波器究竟是低通还是高通海市别的什么。

我们常常看到诸如butterworth型，chebychev型等滤波器，关于这种分类方式，以我的理解来看，指的是滤波器的零极点位置；不同的零极点位置决定了滤波器在带外抑制度，（带内/带外）纹波，幅频/相频特性，以及群时延等性能指标。当然掌握这些滤波器的基本特点有利于我们设计电路的时候选择合适的类型。对于不同类型的滤波器，其极点个数决定了阶次，阶次也与上述指标相关。

我们也常常看到如sallen-kay或别的分类方式。对于这种说法，实际上已经具体到了滤波器的拓扑结构。如同前面提到的滤波器零极点位置决定滤波器的类型，而实现零极点的方式，就对应到了滤波器的拓扑结构。实际上从书本上我们也可以看到如果是拓扑结构的分类方式，常常会有对应的电路结构图。我们可以根据这个电路图选择合适的R/C或OPA，来实现butterworth或chebychev之类的滤波器。

究竟选择哪种滤波器，需要看系统指标的要求，严格的系统指标会给出例如时延特性，带外抑制度等等要求。这一步是滤波器设计必不可少的。IC设计不需要做性能最优的模块，而是设计出满足性能要求而又成本最低的电路，这一点也需要牢记在心。

模拟滤波器设计流程——（三）从系统指标到电路映射

片上集成的模拟滤波器常常是系统中的一个组成模块，对滤波器所有的性能指标要求来源与于系统指标的分解。比如说滤波器的噪声，线性度，带外抑制度，带内纹波，时延特性等等。确定采用何种类型，多少阶次的滤波器都可以通过系统仿真得到。举个例子说，7阶的butterworth和5阶的切比雪夫在带外抑制度上可能都差不多，但在带内纹波和时延特性上却不尽相同，这样的两个滤波器分别代入系统做系统仿真，很容易就可以看到他们各自的特性对解调误码率的影响。而如果都满足系统要求的情况下，如何去选择合适的滤波器，还要综合考虑复杂度，以及成本。

事实上做系统仿真的时候，往往就将我们能选择的滤波器类型范围缩小了。而再考虑一下实现成本，基本上能够达到指标要求的滤波器类型和阶次也就定了。剩下的工作无非就是常规的滤波器设计。利用普遍的滤波器设计工具，代入抑制度，截止频率，增益等参数，就能得到特定结构中使用到的元件参数。在综合滤波器设计的时候，最为广泛运用的应该是级联方式。通过将高阶次的传递函数分解为多个一阶和二阶传递函数的组合，再分级实现滤波器。这种方法大大简化了滤波器的设计，避免了多级反馈，从电路设计难度上来讲要更为容易一点。

假设我们需要设计一个5阶的butterworth型低通滤波器。首先将滤波器划分为3级结构，1级一阶，2级2阶。再根据归一化的传递函数表和滤波器的截止频率，可以得到各级的特征频率和Q值。知道了这两个值之后带入对应的1阶或2阶传递函数，可以很方便地求解出需要的R或C（也有可能是Gm或C）值。这样我们就将滤波器与普通的模拟电路如如运放等关联起来。

滤波器设计从这个层次再往下，考验的就是我们对基本的模拟电路模块如运算放大器，Gm单元等电路的掌握能力了。

如果滤波器传递分解之后有多级2阶结构，则需要考虑不同Q值的2阶结构在链路中的位置。Q值高的一般放在后面，因为高Q值放在前面影响滤波器的动态范围。但放在后面对抑制滤波器内部噪声却没什么好处，因为落在高Q值模块谐振峰值处的噪声会被放大。