硬件濾波器設(shè)計(jì)，這些參數(shù)你注意到了嗎？

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濾波器，顧名思義，是將信號(hào)中一些特定頻域的“波”濾除。按功能分類，可分為低通、高通、帶通、帶阻等。在現(xiàn)代各電子、電氣系統(tǒng)中，可謂無(wú)處不在。
???????? 提到濾波器，如果你首先想到的是巴特沃斯、切比雪夫等典型濾波器，以及通帶寬度、阻帶衰減、過(guò)渡帶寬等關(guān)鍵參數(shù)，那么，你已經(jīng)有一定的理論基礎(chǔ)，甚至?xí)O(shè)計(jì)軟件濾波器解決數(shù)字信號(hào)的頻域?yàn)V波問(wèn)題了。但是，本文講到的一些參數(shù)，卻與這些完全不同，只有關(guān)注了這些參數(shù)，才能將濾波器理論基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為硬件實(shí)踐。


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一、靈敏度參數(shù)。
???????? 靈敏度表征濾波器對(duì)元器件變化的敏感程度。把濾波器當(dāng)做一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，那么，其輸出Vout與輸入Vin存在關(guān)系：Vout=H(s)*Vin。這里，H(s)稱為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，或?yàn)V波器的傳遞函數(shù)。而靈敏度S(x)，就是網(wǎng)絡(luò)函數(shù)變化率與所關(guān)注元器件數(shù)值x偏差之間的比值，定義為：S(H, x)=(dH/H)/(dx/x)。
???????? 實(shí)際電路中，電阻、電容、電感都存在一定的誤差，運(yùn)放的放大系數(shù)、通帶平坦度等也非絕對(duì)理想，而且隨著溫度、濕度等變化，元器件的數(shù)值也會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H(s)的變化，進(jìn)而影響濾波效果。因此，在硬件濾波器設(shè)計(jì)中，一定要考慮元器件自身的精度。濾波器對(duì)關(guān)鍵元器件的靈敏度要足夠低，元器件的精度應(yīng)足夠高。????????
二、輸入阻抗與輸出阻抗。
???????? 信號(hào)源一般可等效為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)。如果濾波器輸入端與信號(hào)來(lái)源阻抗匹配，則能達(dá)到最大功率傳輸，如果濾波器輸入為高阻，則能保持信號(hào)輸入電壓不變。而如果設(shè)計(jì)過(guò)程中未留意到輸入阻抗這一參數(shù)，則會(huì)造成反射（高頻）或分壓（低頻），降低信號(hào)傳輸效率，造成信號(hào)衰減。
???????? 同樣，如果濾波器的輸出端阻抗不匹配也會(huì)因信號(hào)反射或分壓造成信號(hào)衰減。因此，ADC前端的濾波器設(shè)計(jì)尤其要重視阻抗之間的關(guān)系。一般，如果濾波器輸入端和輸出端分別阻抗匹配，則會(huì)對(duì)信號(hào)造成6dB信號(hào)衰減；若濾波器為高輸入阻抗，低輸出阻抗，則不會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成衰減。
三、有源與無(wú)源濾波器。
???????? 總的來(lái)說(shuō)，低頻信號(hào)濾波一般用有源濾波器，高頻信號(hào)濾波一般用無(wú)源濾波器。
???????? 無(wú)源濾波器由無(wú)源R、L、C組成，在做低頻信號(hào)的濾波器時(shí)，電感L的重量和體積都比較大，不利于濾波器的小型化、集成化，而且電感的使用也會(huì)使濾波效果沒(méi)那么理想。而有源濾波器一般不包含電感，由有源器件和R、C構(gòu)成，重量輕且體積小，便于大規(guī)模生產(chǎn)，目前引起工程師的極大關(guān)注。但是有源RC濾波存在對(duì)高頻特性的限制，一般運(yùn)放的增益帶寬積越大，成本也越高。所以處理高頻信號(hào)時(shí)，有源濾波并不劃算，相反無(wú)源濾波會(huì)起到較好效果。
四、元器件寄生參數(shù)。
???????? 由于工藝、生產(chǎn)成本等等原因，市面上的元器件往往存在寄生參數(shù)。如：一般電阻、電容都有寄生電感（在直流供電時(shí)，穩(wěn)壓輸出端一般并聯(lián)10uF和0.1uF的旁路電容實(shí)現(xiàn)對(duì)高、低頻噪聲的濾波，這個(gè)0.1uF的旁路電容的作用主要就是寄生電感）。而空間分布的導(dǎo)線、元器件之間也存在分布電容。這些寄生參數(shù)會(huì)直接影響濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。必要時(shí)，需要用無(wú)感電阻代替一般電阻。
總結(jié)。
???????? 通過(guò)以上分析，不難看出：濾波器硬件設(shè)計(jì)并沒(méi)有想象中那么簡(jiǎn)單。正如世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，世界上也沒(méi)有完全相同的兩個(gè)濾波器。硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有太多的確定的或不確定的因素，會(huì)影響濾波結(jié)果。因此，濾波器的設(shè)計(jì)不容易一步達(dá)成，往往需要不斷調(diào)試，修改，再調(diào)試，再修改，復(fù)制性較差。這也造成一個(gè)多通道濾波器往往比多個(gè)單通道濾波器要貴很多。在這個(gè)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)的積累比扎實(shí)的理論更寶貴。不過(guò)，如果你真正踏入這個(gè)領(lǐng)域，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的無(wú)限樂(lè)趣和無(wú)窮魅力。
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