三種通用有源濾波器類型及構(gòu)建方法

在設計物聯(lián)網(wǎng)時，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）的輸出進行濾波，以減少諧波并消除“尖峰”。

然而，雖然上市時間和模擬專業(yè)知識越來越受限，但設計濾波器類型，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。

為了滿足性能和設計要求，通用有源濾波器是一個很好的解決方案。這些用于模擬濾波器的標準構(gòu)建模塊提供靈活的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，快速的設計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計要求，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?shù)厥褂盟鼈円垣@得最佳結(jié)果。

應用濾波器

抗混疊濾波器或帶阻濾波器濾波器應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。 （圖像來源：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致的傳感器負載。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行采樣信號中存在的分量，以便無錯誤地恢復信號。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致由于混疊導致的頻譜失真。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

采樣是一種混合操作。在頻域（圖2的右側(cè)）中，高達其帶寬（fBW）的基帶信號被復制為關(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。 （圖像來源：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，直到達到達到最大衰減的阻帶（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行抗鋸齒處理。作為DAC之后的重建濾波器。

濾波器響應

設計人員可以選擇多種濾波器響應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。常見的響應類型是Bessel，Butterworth和Chebyshev（圖4）。

圖4：比較Bessel，Butterworth和Chebyshev低通濾波器響應。 （圖像來源：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)實世界中，需要進行各種權(quán)衡以優(yōu)化每個應用程序的性能。

圖4中顯示的三個過濾器響應具有特定的特征。巴特沃斯濾波器具有最大的平坦幅度響應。這意味著它在通帶中提供最平坦的增益響應，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間延遲。這意味著它們具有頻率線性相位響應和脈沖輸入的出色瞬態(tài)響應。這種出色的相位響應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的。

切比雪夫濾波器設計用于在過渡區(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計的復雜性。該術(shù)語涉及設計中的電抗元件的數(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)多個濾波器部分可以提高濾波器的階數(shù)。例如，兩個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算放大器實現(xiàn)的/電容器（RC）無源元件。多家集成電路供應商提供包含運算放大器和關(guān)鍵RC元件的通用有源濾波器，以簡化濾波器的設計和制造。

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)變量拓撲，采用三個運算放大器 - 兩個作為積分器，三個作為夏天。第四個未提交的運算放大器包含在內(nèi)，以提供設計靈活性（圖5）。這些IC中的每一個都提供一個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波器拓撲結(jié)構(gòu)。 （圖片來源：德州儀器）

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

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系列包括四個獨立的二階濾波器模塊，針對10 Hz至150 kHz的頻率進行了優(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)范圍的應用，其中多個二階段可以級聯(lián)，以實現(xiàn)最多八階濾波器。

Maxim Integrated提供通用有源濾波器，每個器件最多有四個二階段。 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)時間有源濾波器的單個部分。 （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。大多數(shù)可以設計為任何常見的濾波器類型：低通，高通，帶通或帶阻。

設計支持

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

這種支持的一個例子是60 Hz陷波濾波器的設計仿真，用于抑制傳感器中的電源線串擾（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行仿真提供仿真模型。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

此設計基于德州儀器UAF42 spice模型，在60 Hz時提供超過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提供了一種快速準確的方法來設計和構(gòu)建模擬有源模塊過濾器，從最簡單到最復雜，以快速簡單的方式。它們在選擇過濾器類型，響應和拓撲時提供了極大的靈活性，以滿足任何應用需求。