低通模擬濾波器的設(shè)計(jì)方案

　　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）前面有一個抗鋸齒（低通）濾波器，或者在數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）后面有一個抗鏡像（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，如果某個濾波器的傳輸函數(shù)內(nèi)有3個極點(diǎn)，則其為一個三階濾波器。

　　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)，每兩個極點(diǎn)就要求有一個運(yùn)算放大器。例如，32階濾波器要求16個運(yùn)算放大器、32個電容器和多達(dá)48個電阻器。

　　
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。