低通模擬濾波器的設(shè)計方案

[導(dǎo)讀] 模擬濾波器集分為無源濾波器和有源濾波器組成，其中無源濾波器由R、L、C組成，有源濾波器由集成運(yùn)放和R、C組成，不需要使用電感。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。 關(guān)鍵詞：低通濾波器

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，在其變回數(shù)字輸出時，頻率也發(fā)生改變。

利用TI的WEBENCH 濾波器設(shè)計器軟件，可以高效地設(shè)計出低通、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)計器軟件。在生成有源濾波器時，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，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。切比雪夫濾波器的紋波誤差量級為2△AMAX.

圖1 WEBENCH 濾波器設(shè)計器重要模擬濾波器參數(shù)

濾波器響應(yīng)超出fc時，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)用于實現(xiàn)濾波器設(shè)計時過渡帶變得更小，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)計時，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

　模擬濾波器近似計算類型

圖3顯示了WEBENCH濾波器設(shè)計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”按鈕（圖1）以后，出現(xiàn)該屏幕。

圖3 WEBENCH 濾波器設(shè)計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域?qū)Ρ惹闆r以后，可以知道濾波器類型。

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