無(wú)源接口濾波與線性有源濾波器設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì) - 全文

幾乎每個(gè)電子系統(tǒng)都有濾波器，無(wú)論是無(wú)源的，有源的還是數(shù)字的。工程師通常開(kāi)始在心里就決定了濾波器的頻率響應(yīng)和類(lèi)型。從設(shè)計(jì)規(guī)范階段開(kāi)始，工程師就應(yīng)該明確每個(gè)濾波器所需要的頻率響應(yīng)，振幅比頻率的斜率，以及是低通還是高通濾波器，是帶通還是陷波濾波。可能需要限制濾波器溢出現(xiàn)有的電源電壓;這是特別重要的，例如系統(tǒng)要在像MP3播放器一樣的便攜式應(yīng)用中使用低電壓電池的情況。當(dāng)電源電壓，頻率類(lèi)型和響應(yīng)決定后，下一步就是將響應(yīng)曲線所需要的特征轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)類(lèi)型。

　　確定響應(yīng)曲線

　　Butterworth，Bessel，Chebyshev的最常見(jiàn)的傳統(tǒng)響應(yīng)曲線如表1.0所示。除此之外還存在許多其他的響應(yīng)曲線，但是其中一些是基于這些基本曲線的，只不過(guò)階數(shù)更高，例如在高端音頻分頻器中常見(jiàn)的2階Linkwitz-Riley就是由兩個(gè)一階Butterworth濾波器組成的。

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　　Butterworth是最常見(jiàn)的濾波器類(lèi)型，因?yàn)槠渚哂邢啾绕渌魏螢V波器來(lái)說(shuō)，最精密的平頂通帶。Butterworth屬于二類(lèi)濾波器，意味著波紋被限制在阻帶內(nèi)。

　　Chebshev是一類(lèi)濾波器，響應(yīng)曲線比Butterworth更為陡峭，但是它在通帶內(nèi)會(huì)受到波紋的影響。

　　Cauer頻率響應(yīng)可以是一類(lèi)，也可以是二類(lèi)，因?yàn)樵谕◣Ш妥鑾е械牟y都可以獨(dú)立調(diào)整。對(duì)于給定的波紋值，它在阻帶和通帶之間具有最快的增益躍遷。

　　Bessel頻率響應(yīng)適合于需要線性相位響應(yīng)的系統(tǒng)，并且在通帶中具有最大的平坦群延時(shí)。因此，在波形保持非常重要的音頻電路中很受歡迎。

　　頻率的斜率

　　電路中電抗性元件的個(gè)數(shù)，不論是電感性還是電容性元件，決定了電路中的“階”數(shù)。一個(gè)電阻加上一個(gè)電容就是第一階，并且加入到電路中的每個(gè)電抗性組件都會(huì)相應(yīng)增加一階。當(dāng)頻率相同時(shí)，每一階會(huì)讓斜率變得更大，每八度增加6dB。

　　濾波器的階數(shù)越高，響應(yīng)曲線越接近垂直，如圖1.0所示。

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　　模擬或數(shù)字

　　采用數(shù)字方案要取決于許多因素;數(shù)字方案通常會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要更多的資源，并且可能無(wú)法達(dá)到與模擬濾波器相同的性?xún)r(jià)比。使用數(shù)字濾波器的器件，比如FPGA或CPU，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行濾波，然后再重新轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。DSP解決方案能提供復(fù)雜處理的能力，但是這種額外的靈活性需要更多的開(kāi)發(fā)工作和更高的花費(fèi)。

　　在做出決定以前，主要應(yīng)該考慮的是設(shè)計(jì)中其他必要功能模塊的復(fù)雜性。

　　濾波器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式

　　拉普拉斯變換可以通過(guò)計(jì)算或從標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線公式中進(jìn)行更為普遍的查找來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　公式1.0是針對(duì)三階Butterworth濾波器進(jìn)行的變換，其中：s=o+i。w，(實(shí)數(shù)+復(fù)數(shù)部分)

　　變換分子和分母可以進(jìn)行分解因子計(jì)算，以找到公式的極點(diǎn)與零點(diǎn)。

　　使用極點(diǎn)和零點(diǎn)的濾波穩(wěn)定性

　　極點(diǎn)是能夠使分母為0(或H(s)=無(wú)窮大)的“s”的數(shù)值，“零點(diǎn)”是能夠讓分子為0的 “s” 的數(shù)值。為了使濾波器穩(wěn)定，極點(diǎn)的數(shù)值必須大于零點(diǎn)的數(shù)值。由于公式1.0只有極點(diǎn)存在，表明該三階Butterworth穩(wěn)定，并且沒(méi)有擺動(dòng)。

　　如果濾波器的時(shí)間相對(duì)振幅響應(yīng)需要進(jìn)行檢驗(yàn)，則對(duì)公式可以進(jìn)行反拉普拉斯變換，以使其回到時(shí)間域。沒(méi)有必要在模擬 “s”平面和“z”平面之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)橐呀?jīng)可以使用數(shù)字方案了。

　　盡管許多不同的配置可以在數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上用于設(shè)計(jì)最終的電路，但由于本文章的目的，我們選擇了Sllen-Key二極濾波器，因?yàn)樗谒嗅槍?duì)低通和高通過(guò)濾的二階濾波器配置中是最受歡迎的。它們構(gòu)造簡(jiǎn)單，并且對(duì)于組件容差有相對(duì)彈性。圖2.0和2.1分別展示了低通和高通配置。

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　　通過(guò)調(diào)整組件的值，任何二階低通響應(yīng)都可以產(chǎn)生。

　　針對(duì)模擬濾波的單芯片解決方案

　　如果需要高階濾波器，基于Sallen-Key的濾波器可能不是最好的方案。達(dá)到8階的濾波器就有可能使用專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)電容型濾波器，比如美信(Maxim)的MAX293。將輸入時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換為所需要的滾升/滾降頻率使得這些都變得非常靈活，但是它們受到的干擾確實(shí)要高于連續(xù)時(shí)間濾波器。

　　TI的UAF42和美信的MAX274濾波器的優(yōu)勢(shì)是將低通，高通和帶通合并在一個(gè)單獨(dú)的元件中。通過(guò)使用高度準(zhǔn)確的內(nèi)部微調(diào)電容，它們就不容易受頻率變化的影響，而頻率變化會(huì)導(dǎo)致各級(jí)間的不一致。

　　希望能實(shí)時(shí)改變?yōu)V波器規(guī)格的工程師可能會(huì)考慮現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列(FGAA)，例如來(lái)自于Anadigm的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用小型QFN封裝，具有可完全配置的模擬更能模塊。例如，AN121E04具有4個(gè)可配置I/O單元和兩個(gè)專(zhuān)用的輸出單元，因此可以并行處理多個(gè)模擬信號(hào)。