如何加快和改進(jìn)濾波器設(shè)計

仿真已成為設(shè)計過程中必不可少的階段，因為它允許工程師在原型設(shè)計之前評估和驗證電路行為，防止設(shè)計缺陷在設(shè)計鏈中級聯(lián)，并幫助設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中無風(fēng)險地提高電路性能。

還有什么比讓電路板車間踢回一個錯誤百出的設(shè)計更令人沮喪的嗎？如今，許多設(shè)計師都面臨著在幾周（如果不是幾天）內(nèi)生產(chǎn)原型的壓力，而且設(shè)計迭代的余地有限。幸運的是，最新的設(shè)計工具通過提供整體直觀的電路設(shè)計和驗證方法提高了生產(chǎn)率。

許多半導(dǎo)體制造商提供工具，以幫助在初始規(guī)格階段設(shè)計穩(wěn)健的系統(tǒng)模塊。例如，ADI公司（ADI）提供在線濾波器設(shè)計工具，可指導(dǎo)用戶完成有源濾波器合成過程，并根據(jù)這些規(guī)格選擇推薦的運算放大器。然后，該工具生成最終設(shè)計拓?fù)?，以及物料清單和SPICE網(wǎng)表。在原型制作之前的各個階段，仿真環(huán)境（例如NI的仿真環(huán)境）使用指定零件的宏模型提供進(jìn)一步的優(yōu)化和驗證。

在本文中，我們將探討這種整體方法如何加快和改進(jìn)濾波器設(shè)計中通常令人生畏的任務(wù)，濾波器設(shè)計是一系列電子應(yīng)用中的常見構(gòu)建模塊。但首先，我們介紹一些背景。

**SIM卡基礎(chǔ)知識**

最流行的模擬電路仿真工具是SPICE，它代表以集成電路為重點的仿真程序。SPICE的歷史可以追溯到1960年代后期，當(dāng)時它是在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的。SPICE發(fā)展成為模擬電路仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且仍然是世界上使用最廣泛的電路仿真器。多年來，增加了更多的仿真算法、組件模型和擴(kuò)展。例如，在佐治亞理工學(xué)院開發(fā)的XSPICE允許對組件進(jìn)行行為建模，以加快混合模式和數(shù)字仿真的速度。NI 多 SIM 卡?環(huán)境支持SPICE 3F5和XSPICE模擬。

但是，設(shè)計師為什么要為仿真而煩惱呢？仿真已成為設(shè)計過程中必不可少的階段，因為它允許工程師在原型設(shè)計之前評估和驗證電路行為。仿真可防止設(shè)計缺陷通過設(shè)計鏈級聯(lián)到制造電路板，在制造電路板中，重新設(shè)計的成本呈指數(shù)級增長。此外，通過探索一系列假設(shè)場景，設(shè)計人員可以在虛擬環(huán)境中無風(fēng)險地提高電路的性能。

使用電路仿真器的主要好處之一是能夠仿真模擬真實、可訂購零件的宏模型?，F(xiàn)代SPICE模擬器也越來越多地采用圖形化的方法來處理傳統(tǒng)上基于文本的過程。例如， NI Multisim 集成了 17，500 多個 組 件， 其中 許多 宏 模型 來自 領(lǐng)先 半導(dǎo)體 制造 商;捕獲電路時會自動生成基于文本的 SPICE 網(wǎng)表，示波器或函數(shù)發(fā)生器等交互式測量儀器具有模擬真實臺式對應(yīng)物的顯示和功能。借助這些圖形擴(kuò)展，設(shè)計人員不再需要具備 SPICE 語法方面的專業(yè)知識即可充分利用仿真的優(yōu)勢。

**仿真和濾波器設(shè)計**

濾波器無處不在——從超聲設(shè)備到起搏器，在這些地方，只有特定范圍的頻率才能通過至關(guān)重要。然而，雖然濾波器是電子應(yīng)用中無處不在的構(gòu)建塊，但濾波器設(shè)計卻鮮為人知，而且往往很痛苦。是什么讓它如此復(fù)雜？通常，系統(tǒng)設(shè)計人員并不十分了解特定性能所需的濾波器階數(shù)，因為其優(yōu)勢不是模擬電路設(shè)計。

濾波器類型（例如，巴特沃斯、切比雪夫和橢圓）有許多變體，它們針對各種規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化，例如單調(diào)紋波或過渡區(qū)域?qū)挾?。濾波器設(shè)計還涉及編寫復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，用于識別改變?yōu)V波器形狀的極點/零點位置（參見參考文獻(xiàn)3）。另一個問題是，在理論計算中假設(shè)的完美分量不存在;例如，電阻器的制造容差會影響預(yù)期的電路行為。

濾波器向?qū)У仍O(shè)計工具可幫助設(shè)計人員了解不同拓?fù)渲g的差異，并建議在設(shè)計中使用的零件，從而大大簡化了這項復(fù)雜的任務(wù)，而無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。圖形環(huán)境使設(shè)計人員能夠觀察其電路在各種元件容差范圍內(nèi)的工作方式。

**驗證巴特沃茲濾波器的設(shè)計**

在我們的示例中，我們驗證了有源濾波器的設(shè)計。該濾波器采用ADI濾波器向?qū)гO(shè)計，集成了雙通道精密運算放大器ADA4000-2，該運算放大器因其快速壓擺率和容性負(fù)載穩(wěn)定性而被選中，非常適合濾波器設(shè)計。該運算放大器的皮安偏置電流允許使用高阻值電阻來構(gòu)建低頻濾波器，而無需擔(dān)心增加直流誤差。此外，用于R1的高值最大限度地減少了與信號源電阻的相互作用。通過級聯(lián)更多塊可以實現(xiàn)更高階濾波器;然而，對分量值的敏感性以及分量之間相互作用對頻率響應(yīng)的影響急劇增加，使得這些選擇的吸引力降低。信號相位通過濾波器保持（同相配置）。

在NI Multisim中捕獲濾波器，用于驗證和進(jìn)一步分析（見圖1）。這款低通四階巴特沃茲濾波器采用20 kHz截止頻率和Sallen-Key實現(xiàn)設(shè)計，因為它易于設(shè)計，具有最大的平坦頻率響應(yīng)和最小的元件要求。巴特沃茲濾波器在通帶和阻帶上是單調(diào)的，并且具有最佳的通帶紋波和寬過渡區(qū)域（即通帶和阻帶之間的區(qū)域）。它們經(jīng)常用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗混疊濾波器。EVAL-FLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ濾波板采用兩極點版本的Sallen-Key濾波器拓?fù)?，可從ADI訂購。該板的應(yīng)用筆記為AN-0991。

圖1.20 kHz 巴特沃茲 濾波器 采用 NI 多 SIM 程序

在設(shè)計濾波器時，必須同時考慮電路的頻域和時域響應(yīng)。我們 來 研究 如何 使用 NI Multisim 來 驗證 這些 特性。

**驗證頻率響應(yīng)**

圖 2 顯示了交流分析的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，截止頻率（增益下降3 dB時的頻率）為20.1 kHz，與我們設(shè)定的20 kHz規(guī)格非常接近。我們可以看到，超過這個轉(zhuǎn)折頻率，增益以每十倍頻程80 dB下降（濾波器傳遞函數(shù)中每個極點的?20dB/dec或?6dB/oct）。

圖2.巴特沃茲濾波器的頻率響應(yīng)

我們還觀察到，阻帶不會像我們對理想濾波器所期望的那樣持續(xù)減小;由于運算放大器電壓增益的損耗，增益在大約1 MHz時開始增加。使用光標(biāo)，我們估計該阻帶約為700 kHz。

**驗證時域響應(yīng)**

我們可以使用Multisim中提供的測量儀器來研究階躍響應(yīng)。函數(shù)發(fā)生器允許我們輸入激勵，示波器允許我們直接在原理圖環(huán)境中觀察輸出波形。這些測量儀器模仿其臺式對應(yīng)物;例如，使用示波器，可以根據(jù)波形特性調(diào)整時基和分壓等參數(shù)。使用測量儀器，我們還可以實時更改設(shè)置，例如函數(shù)發(fā)生器設(shè)置的頻率，這使我們能夠看到信號在超過 20 kHz 點的頻率下衰減了多少。

我們可以使用示波器測量上升時間和建立時間等特性，如圖3所示;但是，我們也可以在 Grapher 中查看這些數(shù)據(jù)，該選項允許我們注釋和打印圖表以進(jìn)行記錄。

圖3.使用虛擬儀器研究時域響應(yīng)

我們研究的第一個特征是上升時間（定義為從其最終輸出值的10%到90%的時間）;使用光標(biāo)，我們確定這是19.3 μs。我們還看到建立時間約為92 μs。這些特性在圖 4 所示的圖表上進(jìn)行了注釋。（請注意，參數(shù) TMAX 會影響上升時間，并且出于此示例的目的已從默認(rèn)值更改。

圖4.使用繪圖器記錄時域特征

**考慮最壞情況**

仿真的另一個核心優(yōu)勢是能夠考慮非理想組件值（即公差）。在本節(jié)中，我們執(zhí)行蒙特卡羅分析，該分析使用我們在原理圖中定義的 5% 元件公差范圍內(nèi)的元件值排列運行多個交流分析;這使我們能夠看到在最壞的情況下我們的截止頻率是如何受到影響的。（請注意，此分析也可以用于瞬態(tài)或直流工作點分析）。

假設(shè)條件理想，第一次運行是標(biāo)稱運行。我們的分析輸出迭代了電路的200種排列，如圖5所示。觀察到第 171 次運行（底部跡線）和第二次運行（底部跡線）定義了截止頻率分別為 20.67 kHz 和 19.02 kHz 的最壞情況。截止頻率的這種偏差使得該濾波器設(shè)計對元件方差的敏感性較低。

圖5.蒙特卡羅模擬結(jié)果

正如我們所看到的，有些測量比其他測量需要更多的后處理。例如，計算上升時間等任務(wù)如果重復(fù)完成，可能會變得乏味。幸運的是，也有可以解決這個問題的工具。NI LabVIEW?是一種圖形編程語言，允許我們創(chuàng)建自定義界面，用于在Multisim中可視化和分析測量值。該儀器根據(jù)濾波器設(shè)計的輸入和輸出波形自動計算濾波器設(shè)計的上升時間、斜率、過沖和下沖。通過創(chuàng)建自定義儀器，設(shè)計 人員可以自動顯示傳統(tǒng) 需要手動后處理的特性的準(zhǔn)確值。定制儀器可用于廣泛 的應(yīng)用，包括將真實采集的測量結(jié)果導(dǎo)入到NI Multisim 中，這些測量值結(jié)合了 真實世界的影響，如噪聲，從而實現(xiàn)更高的仿真精度。

**結(jié)論**

今天的系統(tǒng)設(shè)計人員不能使用未經(jīng)驗證的想法來運行。借助ADI濾波向?qū)А?已經(jīng)構(gòu)建和驗證的電路和NI Multisim等現(xiàn)代設(shè)計工具， 他們 就不必這樣做。工程師可以在原型設(shè)計階段之前很久就驗證和改進(jìn)電路行為，從而大大提高設(shè)計效率。其結(jié)果是減少了成本高昂的重新設(shè)計，縮短了上市時間，并提高了設(shè)計性能。