Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Chung-Yu Wu - Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
51
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
29.49 Mб
Скачать

14-20 CHUNG-YU WU

§14-7 The Design of SC Biquads (Second-Order Filter)

H(S)=

(K

2

S 2

+

K

S

+

K

)

=

V

(s)

 

 

 

ωo

1

 

 

o

 

 

out

 

S

2

 

+

 

 

 

2

 

 

V (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

S + ω0

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§14-7.1 Low-Q SC Biquads

Step 1: Flow diagram generation.

 

 

S2V

=-[K

S2+K S+K ] V (ω

S

+ ω2 )V

out

 

 

out

 

2

 

1

o

in

o Q

0

 

 

>Vout=-

1

[(K1+K2S)Vin+( Wo ) Vout+ ωo V1)

 

 

 

 

S

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

where V1=

1

[(Ko/ωo)

Vin+ωo Vout]

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

 

 

 

 

 

Vin

 

 

 

1

ω0

ω0

Q

 

1

 

 

 

 

 

 

Vout

K0

 

S

V

 

 

 

 

S

 

 

ω

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

K1 + K2 S

 

 

 

 

 

 

 

Step2: Active-RC design

 

 

 

CA =1

1

 

Q ω0

 

ω0

 

 

 

ω0

 

 

K0

 

 

1

 

CB =1

Vin

 

 

 

 

 

 

ω0

Vout

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

+

 

 

 

 

K1

 

 

 

 

K2

 

 

 

 

 

 

14-21

Step 3: SCF

 

 

 

 

CHUNG-YU WU

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

C =1

 

 

 

φ1

 

 

A

 

C4

CB=1

φ2

 

 

 

 

 

φ2

C1

 

 

 

 

-

 

C3

 

 

Vin

 

 

-

 

 

OP1

φ2

φ2

 

φ1

φ2

+

OP2

Vout

φ1

 

 

 

 

φ1

+

φ2

 

 

C1'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1"

C1 = T * Ko/ωo=

 

A

 

* ωo * T=

 

A

 

1

 

A

 

 

Ko

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dc

 

 

 

dc

 

 

x

 

dc

 

 

ωo

2

C2

= C3=ωo * T=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4 = (ωo * T/Q)=

 

1

>

Q

 

=

CA

(not suitable for high Q)

 

Qx

ωoT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4

C1'= K1

* T =K1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωo x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1" = K2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CA/C2=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωoT

 

>

fo=

fs

 

fo: center (cutoff) frequency

 

 

 

X=

 

1

 

 

2πx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωoT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Step 4: refinement

Z-domain block diagram (If the accuracy is not good, change to Z-domain diagram)

-C2Z-1

 

 

 

C4

 

-C1Z-1

-1/CA

C3

-1/CB

Vout

Vin

1-Z-1

 

1-Z-1

 

 

 

 

C '+C "(1-Z-1)

 

 

 

1

1

 

 

14-22 CHUNG-YU WU

C1" = a0 C1' = a2-a0

C1 = 1/C3 * (a0+ a1+ a2)= 1 (2C1"+C1'±a1)

C3

C4 = b2 -1

C2 * C3 = b1 + b2 + 1 C2=C3

In this diagram, each op-amp and its feedback capacitor (CA or CB) is replaced by its voltage-to-charge transfer function.

 

Qout (z)

 

=

1/ Cf

=

Vout (z) C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vin (z)

 

1z 1

 

 

 

Vin

(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Here Cf is the feedback capacitor.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Similarly,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C * (1-z-1)

for an unswitched capacitor (e.g. C1")

 

 

C

 

 

for a non-inverting capacitor (C1', C3, C4)

 

-C * z-1

 

 

for an inverting capacitor (C1, C2)

 

 

From the block diagram, the exact transfer function is

 

V (z)

=

(C '+C ")z2

+ (C C

 

C '2C ")z + C "

 

 

out

 

1

 

1

 

 

 

1 3

 

 

1

 

1

1

 

 

 

V (z)

 

(1 + C

4

)z

2 + (C

C

3

C

4

2)z +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

As compared to H(z) specifications, the capacitances can be determined.

H(z) = -

a

2

* z2

+ a * z + a

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

b

* z2

+b * z +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TYPES

 

 

 

 

 

 

COEFFICIENTS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L-P CASE

 

 

 

 

 

 

C1'=C1"=0

 

 

 

 

 

 

K1=K2=0 a0=a2=0

 

 

 

 

 

 

 

B-P CASE

 

 

 

 

 

 

C1=C1"=0

 

 

 

 

 

 

K0=K2=0 a0=0,a1=-a2

 

 

 

 

 

 

 

H-P CASE

 

 

 

 

 

 

C1=C1'=0

 

 

 

 

 

 

K0=K1=0

a0=a2= -

a1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

NOTCH CASE

 

 

 

 

C1'=0

 

 

 

 

K1=0

a2=a0

 

 

 

 

 

 

 

14-23 CHUNG-YU WU

§14-7.2 High-Q SC Biquads

K1 S

ω0

Vin

1

-1 S

0

K0

1

 

 

1

 

ω0

 

 

 

 

 

 

K2S

V1

 

 

 

ω0

SQ

1

-1 S

1

Vout

 

 

Vout = S1 [K2SVin ω0V1]

 

 

 

 

Where V1=

1

[(

K

0

+

K1

S)V

+ (ω

 

+

S

)V

]

 

 

 

 

S

ω0

ω0

 

Q

2. Active-RC design

 

 

 

 

in

 

0

 

ou t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K1 ω0

 

CA =1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vin

 

 

 

CB

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OP2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0 K0

 

+ OP1

1

 

 

 

 

Vout

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. SCF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

 

'

 

 

 

 

C4

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vin φ2

 

 

CA =1

 

 

 

 

 

 

 

CB =1

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

φ2

 

 

 

 

 

φ1

 

 

 

vout

φ1

φ1

+

 

 

 

C3

 

+

 

 

 

 

 

φ1

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

''

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14-24 CHUNG-YU WU

C1=K0

T/ω0 = (

K0

)ω

T

=

 

A

 

ω

T

 

 

 

 

 

 

ω 2

 

o

 

 

 

 

dc

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

C3 ω0T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4

 

1

(instead of

 

Q

 

)

 

 

 

 

 

ω0T

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1' K1/ω0

C1" K2

4. Z-domain block diagram of a high-Q biquad:

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

C4 (1Z 1 )

 

 

 

 

 

 

C

'' (1Z 1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

C +

 

1 CA

 

 

C3 Z 1

 

+

1 CB

 

Vout

in

 

1Z

1

V

 

 

1Z

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C '' (1Z 1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H(Z)=

C

"Z 2 + (C C

 

+ C

'C

 

2C

")Z + (C

"C

'C

)

 

1

 

1

 

3

1

 

3

1

 

1

1

3

 

 

 

 

Z 2 + (C2C3 + C3C4 2)Z + (1 C3C4 )

 

 

 

Choose C2=C3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coefficient matching:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1"= a2 b2

C1'=(C1"- ao ) / C3 = a2 ao b2 b2 c3

C1=(a1/b1-C1'C3+2C1")/C3=(a0+a1+a2)/(b2c3)

C4=(1- 1 ) /C3 b2

C32=C22=(b1/b2-C3C4+2)=(b1+b2+1)/b2

14-25 CHUNG-YU WU

§14-7.3 Design Examples

Example 1: Low-Q Lowpass SCF Biquad

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CA

 

 

 

 

 

CB

 

vin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

C1

φ1

 

φ2

 

C3

φ2

vout

 

φ1

φ2

+

 

 

+

 

 

 

 

φ1

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

CA=CB=6.3

C1=4

H (S) = S 2 +1.2S +1

 

 

C2=1

C3=1

C4=1.2

fc

=

 

fs

 

fc: CENTER FRE.

 

2 π •CA

fs: SAMPLING FRE.

Example 2: Low-Q Bandpass SCF Biquad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C4

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CA

 

 

 

 

 

CB

 

vin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

φ1

 

φ2

 

 

φ2

vout

 

φ1

φ2

+

 

 

C3

+

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

CA=CB=6.3

C1'=2

H (S) =

 

4

 

 

 

 

2 +1.2S +1

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

fs

 

fc: CENTER FRE.

C2=1

C3=1

C4=1.2

fc = 2 π

•C

A

fs: SAMPLING FRE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14-26 CHUNG-YU WU

Example 3: High-Q Low-pass SCF Biquad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

CA

 

 

C4

 

 

 

 

 

 

φ2

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

CB

 

Vin

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

-

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

2

 

1

 

Vout

 

φ

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

φ2

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

CA=CB=6.3

C1=4

 

 

 

 

 

H (S) = S2 +

4

 

 

 

 

 

 

S

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.25

C2=1

C3=1

C4=1.2

 

 

 

 

 

 

fc =

fs

 

 

 

 

 

 

 

2 π

•C

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fc: CENTER FRE.

Example 4: High-Q Band-pass SCF Biquad

 

fs: SAMPLING FRE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vin

C'1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

CA

 

 

C4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

-

 

 

 

C3

 

 

CB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

2

 

1

 

 

Vout

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CA=CB=6.3

C '1=2

 

 

 

 

 

H (S) =

 

2S

 

 

 

 

 

 

S2 +1.2S +1

C2=1

C3=1

C4=1.2

 

 

 

 

 

 

fc =

fs

 

 

 

 

 

 

 

2 π

•C

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fc: CENTER FRE. fs: SAMPLING FRE.

14-27 CHUNG-YU WU

Frequency response of low-Q Low-pass SCF biquad

CENTER FREQUENCY: 1K Hz

SAMPLING FREQUENCY: 39.6 Hz

CALCULATED

○ COMPUTED BY SWITCH CAP × EXPERIMENTAL

14-28 CHUNG-YU WU

Frequency response of low-Q Band-pass SCF biquad

CALCULATED

CENTER FREQUENCY: 1K Hz

SAMPLING FREQUENCY: 39.6 Hz

○ COMPUTED BY SWITCH CAP × EXPERIMENTAL

14-29 CHUNG-YU WU

Frequency response of High-Q Low-pass SCF biquad

CALCULATD

CENTER FREQUENCY: 1K Hz

SAMPLING FREQUENCY: 39.6 Hz

○ COMPUTED BY SWITCH CAP × EXPERIMENTAL

Соседние файлы в папке different