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(多图) 有源模拟滤波器的快速设计

Bonnie Baker?? 2013年12月24日 ?? 收藏2
引言

几乎所有电子电路中都能看到有源模拟滤波器的身影。音频系统使用滤波器进行频带限制和平衡。通信系统设计师使用滤波器调谐特定频率并消除其它频率。为了使高频信号衰减,所有数据采集系统都在模数转换器(ADC)前面有一个抗锯齿(低通)滤波器,或者在数模转换器(DAC)后面有一个抗镜像(低通)滤波器。这种模拟滤波还可以在信号到达ADC之前或者离开DAC之后,消除叠加在信号上面的高频噪声。如果ADC的输入信号超出转换器采样频率的一半,则该信号的大小被可靠地转换;但是,在其变回数字输出时,频率也发生改变。

利用TI的WEBENCH滤波器设计器软件,可以高效地设计出低通、高通、带通或者带阻滤波器。这种应用程序替代了TI的FilterPro和以前国家半导体的WEBENCH有源滤波器设计器软件。在生成有源滤波器时,它使用这些程序和公式。但是,它允许深度调节各种滤波器变量,优化滤波器,为滤波器电路寻找到正确的TI运算放大器 (op amp),并具有SPICE模拟功能,比上面两个程序更加强大。

低通模拟滤波器的重要设计参数

低通模拟滤波器的频域规范包括4个基础参数:

●fc,即滤波器的–3-dB截止频率

● Ao,即滤波器的增益

● Asb,即阻带衰减

●fs,即阻带衰减的中断频率

图1所示WEBENCH滤波器设计器的滤波器类型窗口列出了这些参数。DC到截止频率(fc)的频率范围为带通区域。图1中Ao为带通响应量级。使用巴特沃兹(Butterworth)或者贝塞尔(Bessel)滤波器时,带通响应可以为扁平,并且无纹波。相反,一直到截止频率,切比雪夫(Chebyshev)滤波器都有纹波。切比雪夫滤波器的纹波误差量级为2△AMAX。

滤波器响应超出fc时,它会通过过渡带降至阻带区域。滤波器近似法(巴特沃兹、贝塞尔和切比雪夫等)决定过渡带的带宽和滤波器的阶数(M)。传输函数的极点数决定滤波器阶数。例如,如果某个滤波器的传输函数内有3个极点,则其为一个三阶滤波器。

一般而言,当更多极点用于实现滤波器设计时过渡带变得更小,如图2巴特沃兹低通滤波器所示。理想情况下,低通、抗锯齿滤波器应有“砖墙”式响应,并且过渡带极小。实际而言,这并不是最好的抗锯齿方法。进行有源滤波器设计时,每两个极点就要求有一个运算放大器。例如,32阶滤波器要求16个运算放大器、32个电容器和多达48个电阻器。


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