三種通用有源濾波器類型及構(gòu)建方法

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，似乎很容易 - 只需將傳感器或射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并從那里開始工作。但不是那么快：它仍然是一個(gè)模擬世界，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入需要限制頻帶以防止混疊。同樣，需要對數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出進(jìn)行濾波，以減少諧波并消除“尖峰”。

然而，雖然上市時(shí)間和模擬專業(yè)知識越來越受限，但設(shè)計(jì)濾波器類型，滾降，可靠性和精度方面的限制仍然存在，并且不會受到影響。

為了滿足性能和設(shè)計(jì)要求，通用有源濾波器是一個(gè)很好的解決方案。這些用于模擬濾波器的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊提供靈活的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，快速的設(shè)計(jì)周期和有效的頻帶限制，以解決無數(shù)的頻帶限制要求。

本文將描述對有源前端濾波的需求及其典型設(shè)計(jì)要求，約束和權(quán)衡。然后，它將介紹三種通用有源濾波器類型，它們的顯著特性，以及如何恰當(dāng)?shù)厥褂盟鼈円垣@得最佳結(jié)果。

應(yīng)用濾波器

抗混疊濾波器或帶阻濾波器濾波器應(yīng)安裝在傳感器的緩沖放大器和ADC之間(圖1)。

圖1：傳感器和ADC之間的濾波播放物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵部分是防止混疊并消除雜散信號拾取，從而提高信號質(zhì)量。 (圖像：Digi-Key Electronics)

濾波器必須放在傳感器的ADC之前，以限制ADC輸入的帶寬。將其放置在傳感器緩沖器之后可以最大限度地減少由于濾波器而導(dǎo)致的傳感器負(fù)載。在此位置，濾波器可以限制傳感器輸出并消除雜散信號。

混疊

數(shù)字化模擬信號需要以高于最高頻率兩倍的速率對其進(jìn)行采樣信號中存在的分量，以便無錯誤地恢復(fù)信號。如果模擬信號的采樣頻率低于其最高頻率的兩倍，則會出現(xiàn)混疊形式的頻譜失真(圖2)。

圖2：查看頻域中的采樣過程表明，采樣頻率小于信號帶寬的兩倍會導(dǎo)致由于混疊導(dǎo)致的頻譜失真。 (圖像：Digi-Key Electronics)

采樣是一種混合操作。在頻域(圖2的右側(cè))中，高達(dá)其帶寬(fBW)的基帶信號被復(fù)制為關(guān)于采樣頻率及其所有諧波的上邊帶和下邊帶。只要采樣頻率大于信號帶寬的兩倍，基帶頻譜和關(guān)于采樣頻率的下邊帶就不會相互作用。如果采樣頻率降低到小于信號帶寬的兩倍，那么基帶信號和關(guān)于采樣頻率的下邊帶相互作用，不可挽回地扭曲信號。

在數(shù)字化物聯(lián)網(wǎng)傳感器的背景下，來自傳感器的信號需要被限制在小于采樣率的一半 - 稱為奈奎斯特頻率。這是通過過濾傳感器輸出信號來實(shí)現(xiàn)的。它還可能需要額外的濾波來消除干擾信號。

濾波器類型

濾波器是有源或無源電路，可消除信號中不需要的頻率成分，增強(qiáng)有用信號分量，或兩者兼而有之。濾波器最好在頻域中描述(圖3)。

圖3：四種基本濾波器類型是低通，高通，帶通和帶阻濾波器。 (圖像：Digi-Key Electronics)

低通濾波器傳遞頻率低于其帶寬(fpass)的信號，并衰減頻率大于其帶寬的信號。一旦信號頻率超過濾波器帶寬，其幅度就會衰減，通常與頻率成比例，直到達(dá)到達(dá)到最大衰減的阻帶(fstop)。通帶區(qū)域上的濾波器衰減的變化被稱為通帶紋波。類似地，阻帶信號電平的變化是阻帶波紋。通帶上端和下阻帶限制之間的區(qū)域稱為過渡區(qū)。

高通濾波器，顧名思義，傳遞頻率高于下通道的信號 - 頻帶限制(fpass)和衰減低頻信號。

通帶濾波器在其通帶限制(fpass1和fpass2)之間傳遞信號頻率，并衰減頻率超出該范圍的信號。

帶阻或帶阻濾波器衰減其阻帶內(nèi)的信號并通過其通帶內(nèi)的信號。

在ADC和ADC之前選擇低通濾波器進(jìn)行抗鋸齒處理。作為DAC之后的重建濾波器。

濾波器響應(yīng)

設(shè)計(jì)人員可以選擇多種濾波器響應(yīng)類型來控制通帶紋波，過渡區(qū)域的斜率，阻帶衰減和濾波器相位響應(yīng)。常見的響應(yīng)類型是Bessel，Butterworth和Chebyshev(圖4)。

圖4：比較Bessel，Butterworth和Chebyshev低通濾波器響應(yīng)。 (圖像：Digi-Key Electronics)

理想的低通濾波器可提供無限衰減，以消除高于截止頻率的信號，并以低于截止頻率的信號傳遞單位增益。在現(xiàn)實(shí)世界中，需要進(jìn)行各種權(quán)衡以優(yōu)化每個(gè)應(yīng)用程序的性能。

圖4中顯示的三個(gè)過濾器響應(yīng)具有特定的特征。巴特沃斯濾波器具有最大的平坦幅度響應(yīng)。這意味著它在通帶中提供最平坦的增益響應(yīng)，在過渡區(qū)域中具有適度的滾降。如果幅度精度是最重要的考慮因素，則可以選擇此濾波器。

貝塞爾濾波器為恒定群延遲提供最大平坦時(shí)間延遲。這意味著它們具有頻率線性相位響應(yīng)和脈沖輸入的出色瞬態(tài)響應(yīng)。這種出色的相位響應(yīng)是以通帶的平坦度和通帶以外的較慢的初始衰減速率為代價(jià)的。

切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)用于在過渡區(qū)域中呈現(xiàn)更陡峭的滾降，但在通帶中具有更多紋波。如果采樣率接近信號帶寬，它將成為首選濾波器。

圖4中可以很容易地觀察到這些特性。

濾波器順序

過濾順序是指過濾器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。該術(shù)語涉及設(shè)計(jì)中的電抗元件的數(shù)量，例如電容器。通常，濾波器的階數(shù)影響過渡區(qū)域滾降的陡度，并因此影響過渡區(qū)域的寬度。一階濾波器的滾降為每倍頻程6 dB，或每十倍頻20 dB。第n階濾波器的滾降率為6×n dB/倍頻程或20×n dB/decade。因此，四階濾波器的滾降速率為每倍頻程24 dB或每十倍頻80 dB。

通過級聯(lián)多個(gè)濾波器部分可以提高濾波器的階數(shù)。例如，兩個(gè)二階低通濾波器可以級聯(lián)在一起以產(chǎn)生四階低通濾波器，依此類推。級聯(lián)多個(gè)濾波器的折衷是成本和尺寸的增加以及精度的降低。

通用有源濾波器

連續(xù)信號有源濾波器是使用帶電阻的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的/電容器(RC)無源元件。多家集成電路供應(yīng)商提供包含運(yùn)算放大器和關(guān)鍵RC元件的通用有源濾波器，以簡化濾波器的設(shè)計(jì)和制造。

首先是德州儀器(TI)生產(chǎn)的UAF42AU。該通用濾波器采用經(jīng)典的狀態(tài)變量拓?fù)?，采用三個(gè)運(yùn)算放大器 - 兩個(gè)作為積分器，三個(gè)作為夏天。第四個(gè)未提交的運(yùn)算放大器包含在內(nèi)，以提供設(shè)計(jì)靈活性(圖5)。這些IC中的每一個(gè)都提供一個(gè)雙極或二階濾波器元件，最大通帶為100 kHz。

圖5：德克薩斯州儀器UAF42AU通用有源濾波器采用狀態(tài)可變?yōu)V波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 (圖片：德州儀器)

UAF42AU內(nèi)部無源元件具有嚴(yán)格的公差(0.5%)，以確保穩(wěn)定和可重復(fù)的性能。

凌力爾特公司的另一種通用有源濾波器一種稍微不同的方法。 LT1562系列包括四個(gè)獨(dú)立的二階濾波器模塊，針對10 Hz至150 kHz的頻率進(jìn)行了優(yōu)化(圖6)。

圖6：凌力爾特公司LT1562四通道濾波器的框圖顯示了四個(gè)二階部分。 (圖像源：Linear Technology)

此通用濾波器適用于需要高動態(tài)范圍的應(yīng)用，其中多個(gè)二階段可以級聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)最多八階濾波器。

Maxim Integrated提供通用有源濾波器，每個(gè)器件最多有四個(gè)二階段。 MAX274包括四段二階狀態(tài)可變?yōu)V波器模塊(圖7)。 MAX274的最大帶寬為150 kHz。所有四個(gè)部分都可以級聯(lián)，以創(chuàng)建最多八階濾波器。

圖7：該框圖顯示了Maxim Integrated MAX274四通道連續(xù)時(shí)間有源濾波器的單個(gè)部分。 (圖像源：Maxim Integrated)

所有這些通用濾波器集成電路都可以配置Butterworth，Bessel或Chebyshev響應(yīng)。大多數(shù)可以設(shè)計(jì)為任何常見的濾波器類型：低通，高通，帶通或帶阻。

設(shè)計(jì)支持

所有通用有源所討論的過濾器組件由其制造商提供支持，并提供全套設(shè)計(jì)輔助工具，以支持快速開發(fā)和生產(chǎn)。這些包括應(yīng)用筆記，濾波器設(shè)計(jì)程序以及CAD和仿真模型。

這種支持的一個(gè)例子是60 Hz陷波濾波器的設(shè)計(jì)仿真，用于抑制傳感器中的電源線串?dāng)_(圖8)。

圖8：使用制造商對基于Texas Instruments UAF42有源濾波器的60 Hz帶阻或陷波濾波器進(jìn)行仿真提供仿真模型。 (圖像：Digi-Key Electronics)

此設(shè)計(jì)基于德州儀器UAF42 spice模型，在60 Hz時(shí)提供超過30 dB的衰減。在這種情況下，德州儀器提供了仿真程序以及IC模型。

結(jié)論

通用有源濾波器構(gòu)建模塊IC提供了一種快速準(zhǔn)確的方法來設(shè)計(jì)和構(gòu)建模擬有源模塊過濾器，從最簡單到最復(fù)雜，以快速簡單的方式。它們在選擇過濾器類型，響應(yīng)和拓?fù)鋾r(shí)提供了極大的靈活性，以滿足任何應(yīng)用需求。