教你如何快速、高效設(shè)計(jì)有源模擬濾波器?
發(fā)布時(shí)間:2014-04-05 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都明白自己接觸的所有電子電路中幾乎都會出現(xiàn)有源模擬濾波器的倩影。所以如何快速、高效設(shè)計(jì)有源模擬濾波器使工程師必須要考慮的。本文介紹一種方法,只需一個(gè)軟件就可快速、高效設(shè)計(jì)有源模擬濾波器,并能避免各種不好的設(shè)計(jì)因素,如高頻噪聲等。是不是很心動(dòng),那么來看看吧!
幾乎所有電子電路中都能看到有源模擬濾波器的身影。音頻系統(tǒng)使用濾波器進(jìn)行頻帶限制和平衡。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用濾波器調(diào)諧特定頻率并消除其它頻率。為了使高頻信號衰減,所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前面有一個(gè)抗鋸齒(低通)濾波器,或者在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)后面有一個(gè)抗鏡像(低通)濾波器。這種模擬濾波還可以在信號到達(dá)ADC之前或者離開DAC之后,消除疊加在信號上面的高頻噪聲。如果ADC的輸入信號超出轉(zhuǎn)換器采樣頻率的一半,則該信號的大小被可靠地轉(zhuǎn)換;但是,在其變回?cái)?shù)字輸出時(shí),頻率也發(fā)生改變。
利用TI的WEBENCH濾波器設(shè)計(jì)器軟件,可以高效地設(shè)計(jì)出低通、高通、帶通或者帶阻濾波器。這種應(yīng)用程序替代了TI的FilterPro和以前國家半導(dǎo)體的WEBENCH有源濾波器設(shè)計(jì)器軟件。在生成有源濾波器時(shí),它使用這些程序和公式。但是,它允許深度調(diào)節(jié)各種濾波器變量,優(yōu)化濾波器,為濾波器電路尋找到正確的TI運(yùn)算放大器 (op amp),并具有SPICE模擬功能,比上面兩個(gè)程序更加強(qiáng)大。
低通模擬濾波器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)
低通模擬濾波器的頻域規(guī)范包括4個(gè)基礎(chǔ)參數(shù):
●fc,即濾波器的–3-dB截止頻率
●Ao,即濾波器的增益
●Asb,即阻帶衰減
●fs,即阻帶衰減的中斷頻率
圖1所示W(wǎng)EBENCH濾波器設(shè)計(jì)器的濾波器類型窗口列出了這些參數(shù)。DC到截止頻率(fc)的頻率范圍為帶通區(qū)域。圖1中Ao為帶通響應(yīng)量級。使用巴特沃茲(Butterworth)或者貝塞爾(Bessel)濾波器時(shí),帶通響應(yīng)可以為扁平,并且無紋波。相反,一直到截止頻率,切比雪夫(Chebyshev)濾波器都有紋波。切比雪夫?yàn)V波器的紋波誤差量級為2△AMAX。
圖1:WEBENCH濾波器設(shè)計(jì)器重要模擬濾波器參數(shù)
濾波器響應(yīng)超出fc時(shí),它會通過過渡帶降至阻帶區(qū)域。濾波器近似法(巴特沃茲、貝塞爾和切比雪夫等)決定過渡帶的帶寬和濾波器的階數(shù)(M)。傳輸函數(shù)的極點(diǎn)數(shù)決定濾波器階數(shù)。例如,如果某個(gè)濾波器的傳輸函數(shù)內(nèi)有3個(gè)極點(diǎn),則其為一個(gè)三階濾波器。
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一般而言,當(dāng)更多極點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)過渡帶變得更小,如圖2巴特沃茲低通濾波器所示。理想情況下,低通、抗鋸齒濾波器應(yīng)有“磚墻”式響應(yīng),并且過渡帶極小。實(shí)際而言,這并不是最好的抗鋸齒方法。進(jìn)行有源濾波器設(shè)計(jì)時(shí),每兩個(gè)極點(diǎn)就要求有一個(gè)運(yùn)算放大器。例如,32階濾波器要求16個(gè)運(yùn)算放大器、32個(gè)電容器和多達(dá)48個(gè)電阻器。
圖2:巴特沃斯濾波器極點(diǎn)數(shù)增加帶來更加明顯的轉(zhuǎn)降
模擬濾波器近似計(jì)算類型
圖3顯示了WEBENCH濾波器設(shè)計(jì)器觀察屏幕的解決方案窗口中一些可用的低通濾波器類型。用戶點(diǎn)擊“開始濾波器設(shè)計(jì)”按鈕(圖1)以后,出現(xiàn)該屏幕。
圖3:WEBENCH濾波器設(shè)計(jì)器的低通濾波器類型
巴特沃茲、貝塞爾和切比雪夫是一些比較流行的濾波器近似法類型。查看量級和頻率域?qū)Ρ纫约傲考壓蜁r(shí)域?qū)Ρ惹闆r以后,可以知道濾波器類型。
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巴特沃茲濾波器
巴特沃茲濾波器傳輸函數(shù)包括所有極點(diǎn),并且沒有零,其表達(dá)式如下:
圖4表明四階、低通巴特沃茲濾波器的響應(yīng)在帶通部分為扁平。這種特性的技術(shù)術(shù)語稱作“最大扁平”。之后,它會顯示,過渡帶的衰減速率不如切比雪夫?yàn)V波器。圖5表明,相同四階巴特沃茲濾波器的階躍響應(yīng)在時(shí)域中有一些過沖和振鈴。如果濾波器階數(shù)更高,則這種過沖也會更高。如果這種濾波器用在多路器之后,則應(yīng)考慮其穩(wěn)定時(shí)間。
圖4:四階、低通巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)
圖5:四階、低通巴特沃斯濾波器的階躍響應(yīng)
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切比雪夫?yàn)V波器的傳輸函數(shù)與巴特沃茲濾波器類似,因?yàn)樗哂兴袠O點(diǎn),并且沒有零:
圖6表明,四階、低通切比雪夫?yàn)V波器的頻率響應(yīng)在帶通區(qū)域有0.2dB的紋波。電路設(shè)計(jì)的極點(diǎn)布局決定了這種紋波??傊y波量級的增加會降低過渡帶的寬度。
理論上,2△AMAX(圖1)的紋波量級可以如我們預(yù)期的那樣大或者小。高紋波量級一般會帶來更多的帶通區(qū)域誤差,但卻可以實(shí)現(xiàn)更快的過渡帶衰減。
相比巴特沃茲濾波器,過渡帶衰減速率變化更劇烈。例如,為了滿足0.5dB紋波的三階切比雪夫?yàn)V波器的過渡帶寬要求,要求使用一個(gè)四階巴特沃茲濾波器。盡管使用切比雪夫?yàn)V波器時(shí)在帶通區(qū)域存在振鈴,但阻帶沒有振鈴。
0.2dB紋波的四階、低通切比雪夫?yàn)V波器的階躍響應(yīng),存在相當(dāng)程度的過沖和振鈴(圖6)。
圖6:四階、低通切比雪夫?yàn)V波器的階躍響應(yīng)
過沖和振鈴現(xiàn)象是頻域中相位響應(yīng)的結(jié)果。我們都還記得,階躍響應(yīng)(或者方波)傅立葉分析表明,通過增加奇數(shù)諧波正弦信號可以建立方波。結(jié)果是,來自階躍輸入的高頻在低頻之前到達(dá)濾波器的輸出端。它被稱作“失真群延遲”。這種時(shí)長數(shù)秒的群延遲計(jì)算方法如下:
[page]濾波器近似法類型比較
對于低通濾波器來說,濾波器近似法類型影響濾波器截止頻率之前和之后的頻率響應(yīng)。由于頻率(單位赫茲)倒轉(zhuǎn)為數(shù)秒時(shí)間,因此濾波器類型會對時(shí)域產(chǎn)生相反影響。表1對頻域(帶通和過渡區(qū)域)和時(shí)域(階躍響應(yīng))中的低通巴特沃茲、貝塞爾和切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行了比較。
表1:濾波器近似法類型比較表
使用WEBENCH濾波器設(shè)計(jì)器開始設(shè)計(jì)
利用濾波器設(shè)計(jì)器,工程師可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對整套多級有源濾波器解決方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和模擬工作。通過TI廠商合作伙伴提供的TI運(yùn)算放大器和無源組件,可創(chuàng)建出許多經(jīng)過優(yōu)化的濾波器設(shè)計(jì)。
濾波器設(shè)計(jì)器軟件和快速上手指南下載網(wǎng)址為www.ti.com/webenchfilters-aaj。你可以從眾多低通、高通、帶通和帶阻類型中選擇一個(gè)濾波器。如果需要,可以規(guī)定衰減、群延遲和階躍響應(yīng)等性能規(guī)范,并且還有大量的濾波器響應(yīng)可供選擇,例如:巴特沃茲、貝塞爾、切比雪夫、線性相位和過渡高斯等。通過優(yōu)化脈沖響應(yīng)、穩(wěn)定時(shí)間、最低成本、帶通紋波和阻帶衰減,可確定最為適合于具體設(shè)計(jì)的濾波器響應(yīng)。
Sallen-Key或者多反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是所有濾波器級的設(shè)計(jì)選項(xiàng),并且通過評估增益帶寬、電流、成本以及其它參數(shù)之間的關(guān)系,選擇最適合于設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)算放大器。電阻器/電容器容差可規(guī)定為理想狀況,即0.5、1、2、5、10或者20%。使用用戶定義的電容器種子值進(jìn)行實(shí)驗(yàn),調(diào)節(jié)濾波器設(shè)計(jì)的電阻器值范圍。另外,還可對濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)靈敏度要求、最低成本和最小體積。
之后,使用閉環(huán)頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)或者正弦波響應(yīng)選項(xiàng)運(yùn)行SPICE電氣模擬,以對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。可對這些選項(xiàng)的輸入條件進(jìn)行調(diào)整,以對不同的輸出結(jié)果進(jìn)行評估。
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