信号流图技术与梯形滤波器设计

概述

信号流图(Signal Flowgraph, SFG)是一种拓扑网络表示方法,用节点(变量)和分支(传递函数)描述线性系统。在滤波器设计中,SFG 技术用于将无源 RLC 原型精确转换为有源积分器型实现,从而获得极低灵敏度的高阶有源滤波器。


SFG 基本规则

操作规则
并行分支合并a + b → 一个分支,BMF = a + b
级联节点消除a·b → 一个分支,BMF = a × b
节点缩放入分支 × k,出分支 ÷ k,节点值 × k
自环消除入分支 ÷ (1 - y),自环 y 消除

从 RLC 到积分器型——转换步骤

步骤 1:状态方程提取

对每个元件(L/C)写出积分形式的 I-V 关系:

  • 电容:
  • 电感:

步骤 2:构建 SFG

使用 KCL/KVL 将电流和电压关系连接成图:

  • 电压节点(顶行)
  • 电流节点(底行)
  • 分支标注传递函数(1/sC、1/sL、1/R …)

步骤 3:归一化

将所有电流节点乘以缩放电阻 R*,将电流变量转换为电压变量(因为运放积分器的输入和输出均为电压量)。

步骤 4:合成

选择合适的元件值,使各积分器时间常数匹配 RLC 原型。


双端接 LC 梯形滤波器

结构特点

R_s — L2 — L4 — ... — L_n — R_L
      |    |           |
      C1   C3          C5 ... C_n
  • 源和负载端均接电阻(双端接)
  • 所有元件交替为串臂(L)和并臂(C)
  • 具有最低的元件公差灵敏度

设计流程

  1. 确定规格:f_pass、R_pass、f_stop、R_stop
  2. 选滤波器类型:Butterworth / Chebyshev / Elliptic
  3. 确定阶数:查图表或 Matlab 工具
  4. 查表获得归一化 L/C 值:Zverev 或 Williams & Taylor 表
  5. 去归一化:
  6. SFG 转换为积分器型有源实现
  7. 动态范围缩放:调整内部节点电压最大化信号摆幅
  8. 噪声缩放:按目标噪声水平调整电容和电阻值

灵敏度对比——梯形 vs 级联 Biquad

以 **7 阶 Elliptic LPF(CDMA IS95)**为例:

指标级联 BiquadRLC 梯形改善
通带偏差 @1% 失配2.2 dB(29%)0.2 dB(2%)~11×
阻带偏差 @1% 失配3 dB(40%)1.7 dB(21%)~2×

物理原因:双端接 LC 梯形中,各元件偏离导致的反射波在匹配端口被吸收,不会累积到传输函数中。而级联 Biquad 中各级的失配直接相乘。

工程意义:对高 Q 高阶滤波器(如 CDMA IS95),级联 Biquad 几乎不可能满足量产良率要求,必须使用梯形拓扑。


传输零点的实现

在积分器型梯形滤波器中,传输零点由串联电容(C-loop)产生。通过 SFG 变换,这些 C-loop 可被等效为压控电压源,无需额外有源元件:

这种”无源加法”方式精确实现零点,不增加功耗。


CDMA IS95 接收滤波器设计实例

  • 规格:f_pass=650kHz, R_pass=0.2dB, f_stop=750kHz, R_stop=49dB
  • 选择:7 阶 Elliptic(因 CDMA 基带可用 DSP 补偿相位)
  • 归一化值(Zverev 表,r=20%):C1=1.177, C2=0.194, L2=1.195, C3=1.511, C4=1.011, L4=0.724, C5=1.278, C6=0.712, L6=0.802, C7=0.836
  • 最终片上级(6 阶差分实现,含缩放):C 2-3pF, R8-12kΩ

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