摘    要：本文介绍了将幅值为0.1V 的1MHz方波经过滤波不失真地放大为2.5 V、带宽为30MHz信号的一种低噪声、模拟低通有源滤波器。
关键词： 低噪声;低通;滤波器

引言
在航天遥感系统中,往往要对微弱的信号(通常小于1mV)进行处理,而微弱的模拟信号在放大过程中极易受到干扰,使传送中的信号幅值或相位发生畸变,因此,有必要对模拟信号做零漂修正、滤波等处理。另一方面,模拟信号和数字信号往往在一个高速系统中共存,较强的数字信号容易通过各种耦合途径干扰较弱的模拟信号。本文所描述的系统将模拟高频微弱信号在存在数字时钟信号的环境下经过模拟输入信道放大、滤波处理,设计了一种低噪声、高宽带的低通滤波器。

系统概述
根据设计要求,将幅值为0.1V 的1MHz方波(上升沿tr在10ns~20ns之间)经过滤波不失真地放大为2.5V的信号(噪声低于20mV,上升沿tr在20ns~30ns之间),要求小信号由系统本身产生。这样可以将系统初步分为两大部分：信号产生部分及信号处理部分。小信号是由数字电路输出的电平为5V的信号通过衰减网络产生的,而信号的处理部分则由放大电路及模拟滤波器组成,系统的框图如图1所示。
对于微弱信号的处理,噪声是最大的制约因素。为了将噪声抑制到最低,必须严格控制每级电路所引入的各种噪声,关键在于如何在这么宽的工作频带中,将各种噪声抑制到最小,又不能将信号中所需的高频谐波分量滤去。

单元电路的原理及设计
信号发生电路
生成的方波信号必须满足低噪声要求且上升沿要尽可能陡一些,这里采用1000MHz的有源晶振产生所需要的1MHz信号。用16进制计数器161设置了一个简单的分频电路,可以得到某些低频分量,并用于检测滤波器的通带特性,这些频率源于1MHz信号,因此可用于检测是否发生了数模干扰(1MHz信号串进了低频信号),如果发生了数模干扰,经过放大后,在最后输出端很容易看到受干扰的波形。
信号输入信道                                                                    
输入信道由衰减器和跟随器组成。为了消除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响,本文采用了阻容并联式衰减器,如图2所示。这一级的电路非常重要,它直接影响着后续电路。1MHz方波所包含的谐波分量很丰富,要使噪声尽可能低且波形边沿陡峭,在这一级必须使所有的频谱分量尽可能等比例衰减。
由图2可求出传递函数为：
 
   (1)
幅频函数为：
 
       (2)
其中 R=R1R2/(R2+R1),相频函数为:
(3)
这里要使5V的TTL电平衰减50倍(约-34dB),希望1MHz方波所包含的频谱分量的A(jw)都等于R2/(R2+R1)。 可见,当wR1C1<<1及wR(C1+C2)<<1同时成立时,A(jw)≈R2/(R2+R1)。考虑到电阻的热噪声,阻值不宜过大,取R2=20KW,R1为1KW的可调电位器。C1取2.5pF,C2取50pF。当R2取400W时,用MATLAB画出的幅频曲线和相频曲线如图3所示。
由图3可知,该网络对频率低于30MHz的信号具有近似等增益衰减作用。                                                                                           
电压跟随器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点,在这里起阻抗变换及隔离作用。以100mV为稳态值,规定从稳态值的10%上升到90%所需时间为10ns,则跟随器所需的压摆率为SR=8V/ms。这里采用的电压跟随器是LM310,其主要参数如下：压摆率为30V/ms,小信号频宽为20MHz,输入阻抗为1000GW,输出阻抗为0.75W。
反相放大电路
将0.1V的小信号放大到2.5V,需要约28dB的增益。对运算放大器来说,单位增益时的工作带宽最大,而随着增益的提高,其工作频带将变窄。为此将放大电路分为两级,分别置于滤波器的前后。这里              采用反相放大器对输入的小信号进行预放大。原理如图4所示。
放大倍数Av=-Rf/R1,取Rf=25kW,R1为2kW的可调电阻,这样可以调整该级的增益。同相端接入输入偏置电流补偿电阻R2,尽量降低直流漂移所造成的影响。选用低噪声、低漂移以及高速、宽带型运放。若从稳态值(2.5V)的10%上升到90%的时间定为20ns,则所需运放的压摆率为SR=100V/ms。因此应选用压摆率高于100V/ms的运放。在放大电路中选用AD8011,其主要参数如下：压摆率2000V/ms,G=+1,3db带宽为300MHz;G=+2,3db带宽为180MHz;G=-10,3db带宽为140MHz,输入电压噪声(f=10kHz)为等。
宽带低通滤波器
滤波器选择
采用集成运算放大器组成有源滤波器,将方波展成傅氏级数,通过MATLAB计算带宽：在19MHz带宽时,从低电平开始上升(稳态值设为1),在4ns时上升到0.1040,在22ns上升到0.9144,这样上升沿时间只有18ns,理论上可以满足上升沿要求。而由经验公式可得信号带宽为f=1/2t＝25MHz,考虑到组成电路的误差,加大了带宽的富余量,将系统带宽定为30MHz。
巴特沃斯滤波器可近似得到一种含有合适衰减陡度的瞬态特性,其组件值计算简单。另外,这里要求滤波器的瞬态特性较好,失真小,对过渡带衰减的要求并不严格,而对巴特沃斯的非线性相位,可以在输出端设计一均衡延迟网络补偿滤波器延迟曲线,使总的延迟具有所需要的平坦度。因此,选用巴特沃斯型滤波器。
从电路的实现方式来看,常用的有压控电源型(VCVS)滤波器、无限增益多路反馈型(MFB)滤波器等。压控电压源电路中的集成运放为同相输入接法,因此滤波器的输入阻抗很高,输出阻抗很低,滤波器相当于一个电压源,具有电路性能稳定,增益容易调节的优点。因此本文采用VCVS型滤波器。
电路组件值的计算
用3个VCVS 2阶节串联成6阶巴特沃斯滤波器,在归一化频率W=2rad/s处可以得到高于35dB的衰减。设截止频率fc=30MHz,查表获得归一化6阶巴特沃斯滤波器的极点位置如下：

。

。
频率标度系数FSF=2pfc,阻抗标定系数为Z=100(R取100W),利用关系式：
                (4)
可得去归一化后的电容值,取标称值为：

。
每级的增益Av都取1,则由 (R1=R2=100W)：

(5)
算出3个2阶节的Q值分别为0.5192,0.7118,1.8484(理论值应分别为0.5176、0.7071、1.9319)。滤波电路中采用集