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开关电容陷波滤波器(notch filter)的Z域传递函数、电路仿真验证 ... ... ... ... ... ...

热度 21已有 1291 次阅读| 2025-6-7 15:01 |系统分类:芯片设计| 开关电容, 陷波滤波器, notch, filter

看到不少坛友帖子里问到notch filter的问题,大致推导了一下Z域传递函数,并用简单的电路仿真验证了一下。推导方法与Allen教材的方法近似但略有不同,并与教材中P409例题9-1-3的电路结构做了对比。

滤波结构有效的条件通常是fin<<fclk,陷波作用则是结构本身实现的(零阶保持,ZOH)。设计者首先要关注两种结构的低频极点,也即f-3dB=fclk*C1/(2*pi*C2)和f-3dB=2*fclk*C1/(2*pi*C2),前者(例题)看起来滤波效果更好些还省面积,但有些对称或差分电路则可能需要用后者或其全差分形式。

notchfilter.jpg


上述推导仅仅是理想采样条件下的结果(未加零阶保持),采样过程符合离散采样信号的傅里叶变换,也就是原信号频谱对称分布在n*fs两侧(教材例题的情况,对于上图则是n*2fs,notch filter的输出频率double了),而保持过程则是时域离散采样信号与零阶保持的时域脉冲信号的卷积,也就是两个信号的频域函数的乘积(即文末仿真图的效果)。零阶保持实现的就是对fs或其倍频频率的陷波滤波作用,其频域波形就是n*fs频率处的陷波滤除(理论值是0,实际电路不可能),推导见下图:

IMG_20250706_204405.jpg



教材例题电路结构:

notch1.png


notch filter电路结构:

notch2.png

仿真结果见下图(注意推导图与仿真图所用坐标不同,两者实际是一致的),其中notchfilter1为教材电路结构,notchfilter2为本例notch filter电路结构。仿真由于有不交叠时钟、dutycycle、时钟馈通、开关导通电阻、电荷注入以及仿真器精度、误差等非理想因素,所以并非完全对应理论推导,比如陷波频率微小偏差、陷波频率处幅值不为0(无限小)及不同陷波频率处幅值衰减不同等。另外,上述推导只推导了幅值变化,未推导相位变化,但推导过程是类似的。

sim_notch_filter.png


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发表评论 评论 (7 个评论)

回复 sea11038 2025-8-23 08:30
tetugoing: 大佬请问你这个怎么仿真的,用ac吗,输入信号给啥啊
PSS+PAC
回复 tetugoing 2025-8-21 20:03
大佬请问你这个怎么仿真的,用ac吗,输入信号给啥啊
回复 sea11038 2025-8-13 19:44
杰克丹尼: 您好!除以了2*pi,C1=5p,C2=1p,开关频率为6.59MHz,计算出来的-3dB带宽为10.49MHz,仿真出来的为3.6MHz,导通阻抗为100uΩ,瞬态看起来正常,不知道问题在哪里 ...
后半段的问题,首先Z变换是周期离散采样和离散点的拉普拉斯变换,是数字域的(例如ADC的输出)。ZOH是按离散周期划分保持的线段,是模拟域的(例如DAC的输出)。理想条件和理论计算时认为ZOH每条线段上的所有点都是相等的值,所以用于Z变换采样选点时可取任意点,实际电路的电荷守恒则一定是个瞬态建立的过程,通常选取建立接近稳态的末段点值,不会因为电荷守恒就去选不稳定的起点值。ZOH只是唯一最常用的保持形式,如果是一阶保持输出就不能随意选点做Z变换了。简单来说,Z变换是采样离散的点,ZOH是输出离散的线段。
回复 sea11038 2025-8-9 10:52
先回答前半句的问题,开关频率才6.59MHz,结果计算出来的-3dB带宽为10.49MHz,纯粹套公式的计算没错,但这已违背了开关电容电路成立的先决条件了,设计的-3dB频率起码要小于开关频率,通常要求远小于(1/5,或1/10?)。是不是把C1和C2电容值设置反了?
回复 杰克丹尼 2025-7-28 11:19
您好!除以了2*pi,C1=5p,C2=1p,开关频率为6.59MHz,计算出来的-3dB带宽为10.49MHz,仿真出来的为3.6MHz,导通阻抗为100uΩ,瞬态看起来正常,不知道问题在哪里。另外想问您一个问题,为什么您第一页的推导相当于不带ZOH的理想采样呢?z变换对应的就是理想采样吗?但是电荷守恒推出的式子,不应该就是带有保持的效果的结果吗?z变换和ZOH的关系是什么呢?请您解惑
回复 sea11038 2025-7-15 09:04
杰克丹尼: 您好!请问该陷波器的-3dB带宽的计算,您的意思是将其等效为一个1/fc的电阻,然后乘以负载电容进行计算吗?但是我仿真出来的结果存在几倍的差别,是由于存在mos ...
计算有否除以2*pi?否则单位是rad/s,与Hz差了6.283倍。如果MOS导通电阻过大导致在较短的半个周期内(比如clock频率过高)无法建立到稳态才有可能产生影响,这看一下瞬态波形就看出来了,但通常来说不会是这种原因导致的。
回复 杰克丹尼 2025-7-13 20:48
您好!请问该陷波器的-3dB带宽的计算,您的意思是将其等效为一个1/fc的电阻,然后乘以负载电容进行计算吗?但是我仿真出来的结果存在几倍的差别,是由于存在mos导通阻抗的因素吗?

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