三种通用有源滤波器类型及构建方法

在设计物联网时，似乎很容易 - 只需将传感器或射频信号转换为数字信号并从那里开始工作。但不是那么快：它仍然是一个模拟世界，模拟到数字转换器（ADC）的输入需要限制频带以防止混叠。同样，需要对数模转换器（DAC）的输出进行滤波，以减少谐波并消除“尖峰”。

然而，虽然上市时间和模拟专业知识越来越受限，但设计滤波器类型，滚降，可靠性和精度方面的限制仍然存在，并且不会受到影响。

为了满足性能和设计要求，通用有源滤波器是一个很好的解决方案。这些用于模拟滤波器的标准构建模块提供灵活的滤波器拓扑结构，快速的设计周期和有效的频带限制，以解决无数的频带限制要求。

本文将描述对有源前端滤波的需求及其典型设计要求，约束和权衡。然后，它将介绍三种通用有源滤波器类型，它们的显着特性，以及如何恰当地使用它们以获得最佳结果。

应用滤波器

抗混叠滤波器或带阻滤波器滤波器应安装在传感器的缓冲放大器和ADC之间（图1）。

图1：传感器和ADC之间的滤波播放物联网中的关键部分是防止混叠并消除杂散信号拾取，从而提高信号质量。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

滤波器必须放在传感器的ADC之前，以限制ADC输入的带宽。将其放置在传感器缓冲器之后可以最大限度地减少由于滤波器而导致的传感器负载。在此位置，滤波器可以限制传感器输出并消除杂散信号。

混叠

数字化模拟信号需要以高于最高频率两倍的速率对其进行采样信号中存在的分量，以便无错误地恢复信号。如果模拟信号的采样频率低于其最高频率的两倍，则会出现混叠形式的频谱失真（图2）。

图2：查看频域中的采样过程表明，采样频率小于信号带宽的两倍会导致由于混叠导致的频谱失真。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

采样是一种混合操作。在频域（图2的右侧）中，高达其带宽（fBW）的基带信号被复制为关于采样频率及其所有谐波的上边带和下边带。只要采样频率大于信号带宽的两倍，基带频谱和关于采样频率的下边带就不会相互作用。如果采样频率降低到小于信号带宽的两倍，那么基带信号和关于采样频率的下边带相互作用，不可挽回地扭曲信号。

在数字化物联网传感器的背景下，来自传感器的信号需要被限制在小于采样率的一半 - 称为奈奎斯特频率。这是通过过滤传感器输出信号来实现的。它还可能需要额外的滤波来消除干扰信号。

滤波器类型

滤波器是有源或无源电路，可消除信号中不需要的频率成分，增强有用信号分量，或两者兼而有之。滤波器最好在频域中描述（图3）。

图3：四种基本滤波器类型是低通，高通，带通和带阻滤波器。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

低通滤波器传递频率低于其带宽（fpass）的信号，并衰减频率大于其带宽的信号。一旦信号频率超过滤波器带宽，其幅度就会衰减，通常与频率成比例，直到达到达到最大衰减的阻带（fstop）。通带区域上的滤波器衰减的变化被称为通带纹波。类似地，阻带信号电平的变化是阻带波纹。通带上端和下阻带限制之间的区域称为过渡区。

高通滤波器，顾名思义，传递频率高于下通道的信号 - 频带限制（fpass）和衰减低频信号。

通带滤波器在其通带限制（fpass1和fpass2）之间传递信号频率，并衰减频率超出该范围的信号。

带阻或带阻滤波器衰减其阻带内的信号并通过其通带内的信号。

在ADC和ADC之前选择低通滤波器进行抗锯齿处理。作为DAC之后的重建滤波器。

滤波器响应

设计人员可以选择多种滤波器响应类型来控制通带纹波，过渡区域的斜率，阻带衰减和滤波器相位响应。常见的响应类型是Bessel，Butterworth和Chebyshev（图4）。

图4：比较Bessel，Butterworth和Chebyshev低通滤波器响应。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

理想的低通滤波器可提供无限衰减，以消除高于截止频率的信号，并以低于截止频率的信号传递单位增益。在现实世界中，需要进行各种权衡以优化每个应用程序的性能。

图4中显示的三个过滤器响应具有特定的特征。巴特沃斯滤波器具有最大的平坦幅度响应。这意味着它在通带中提供最平坦的增益响应，在过渡区域中具有适度的滚降。如果幅度精度是最重要的考虑因素，则可以选择此滤波器。

贝塞尔滤波器为恒定群延迟提供最大平坦时间延迟。这意味着它们具有频率线性相位响应和脉冲输入的出色瞬态响应。这种出色的相位响应是以通带的平坦度和通带以外的较慢的初始衰减速率为代价的。

切比雪夫滤波器设计用于在过渡区域中呈现更陡峭的滚降，但在通带中具有更多纹波。如果采样率接近信号带宽，它将成为首选滤波器。

图4中可以很容易地观察到这些特性。

滤波器顺序

过滤顺序是指过滤器设计的复杂性。该术语涉及设计中的电抗元件的数量，例如电容器。通常，滤波器的阶数影响过渡区域滚降的陡度，并因此影响过渡区域的宽度。一阶滤波器的滚降为每倍频程6 dB，或每十倍频20 dB。第n阶滤波器的滚降率为6×n dB/倍频程或20×n dB/decade。因此，四阶滤波器的滚降速率为每倍频程24 dB或每十倍频80 dB。

通过级联多个滤波器部分可以提高滤波器的阶数。例如，两个二阶低通滤波器可以级联在一起以产生四阶低通滤波器，依此类推。级联多个滤波器的折衷是成本和尺寸的增加以及精度的降低。

通用有源滤波器

连续信号有源滤波器是使用带电阻的运算放大器实现的/电容器（RC）无源元件。多家集成电路供应商提供包含运算放大器和关键RC元件的通用有源滤波器，以简化滤波器的设计和制造。

首先是德州仪器（TI）生产的UAF42AU。该通用滤波器采用经典的状态变量拓扑，采用三个运算放大器 - 两个作为积分器，三个作为夏天。第四个未提交的运算放大器包含在内，以提供设计灵活性（图5）。这些IC中的每一个都提供一个双极或二阶滤波器元件，最大通带为100 kHz。

图5：德克萨斯州仪器UAF42AU通用有源滤波器采用状态可变滤波器拓扑结构。 （图片来源：德州仪器）

UAF42AU内部无源元件具有严格的公差（0.5％），以确保稳定和可重复的性能。

凌力尔特公司的另一种通用有源滤波器一种稍微不同的方法。 LT1562系列包括四个独立的二阶滤波器模块，针对10 Hz至150 kHz的频率进行了优化（图6）。

图6：凌力尔特公司LT1562四通道滤波器的框图显示了四个二阶部分。 （图像源：Linear Technology）

此通用滤波器适用于需要高动态范围的应用，其中多个二阶段可以级联，以实现最多八阶滤波器。

Maxim Integrated提供通用有源滤波器，每个器件最多有四个二阶段。 MAX274包括四段二阶状态可变滤波器模块（图7）。 MAX274的最大带宽为150 kHz。所有四个部分都可以级联，以创建最多八阶滤波器。

图7：该框图显示了Maxim Integrated MAX274四通道连续时间有源滤波器的单个部分。 （图像源：Maxim Integrated）

所有这些通用滤波器集成电路都可以配置Butterworth，Bessel或Chebyshev响应。大多数可以设计为任何常见的滤波器类型：低通，高通，带通或带阻。

设计支持

所有通用有源所讨论的过滤器组件由其制造商提供支持，并提供全套设计辅助工具，以支持快速开发和生产。这些包括应用笔记，滤波器设计程序以及CAD和仿真模型。

这种支持的一个例子是60 Hz陷波滤波器的设计仿真，用于抑制传感器中的电源线串扰（图8）。

图8：使用制造商对基于Texas Instruments UAF42有源滤波器的60 Hz带阻或陷波滤波器进行仿真提供仿真模型。 （图像来源：Digi-Key Electronics）

此设计基于德州仪器UAF42 spice模型，在60 Hz时提供超过30 dB的衰减。在这种情况下，德州仪器提供了仿真程序以及IC模型。

结论

通用有源滤波器构建模块IC提供了一种快速准确的方法来设计和构建模拟有源模块过滤器，从最简单到最复杂，以快速简单的方式。它们在选择过滤器类型，响应和拓扑时提供了极大的灵活性，以满足任何应用需求。