本帖最后由 xxl1925 于 2019-7-25 19:49 编辑
第13课 基于TIFilterPro的有源滤波器快速设计
设计模拟滤波器电路时，一般都采用拉氏变换，将电压和电流变换成象函数，通过找到零点和极点来确定元件参数，但是整个过程复杂，计算量非常大，特别是当设计的滤波器为高阶时，这种手工计算过程尤为繁琐。许多书本中列了滤波器的归一化数值表格，该表格包含滤波器类型、截止频率、阶数以及Q值等滤波器参数，这样，在设计滤波器时只要根据截止频率查归一化表，确定阶数以及Q值，再通过频率和阻抗变换进行归一化得到元件参数。这种设计滤波器方法大大简化了计算过程，但要知道归一化表格也是通过人为的计算和验证得到，对于一些特殊的滤波器，归一化表格有可能并未给出，这时就会不能满足我们的需求。 基于以上两种方法的缺点，市面上有许多滤波器设计软件，进一步简化了设计过程，在一些特定场合能够帮助用户快速设计出最合适的滤波器。本课通过TI的FilterPro滤波器设计软件说明有源滤波器的设计过程。 1．FilterPro软件 FilterPro是TI公司设计的一款有源滤波器设计软件。通过它可以设置滤波器的类型、截止特性、拓扑结构等。当输入设置好的参数后，软件能给出推荐的有源器件的增益带宽积、幅频特性曲线、相频特性曲线、群延迟特性曲线等，同时还能导出设计报告，使用起来非常方便。以设计一个3阶、截止频率为10kHz的低通滤波器为例，其一般的设计步骤如下。 （1）打开软件，在弹出的设计界面选择滤波器类型。FilterPro提供五种滤波器类型：低通、高通、带通、带阻和全通，这里选择“Lowpass”，然后单击Next，如图1所示。 图1 选择滤波器类型 （2）设置滤波器增益，截止频率和通带纹波，然后选择滤波器阻带频率或者滤波器阶数。这里选择增益为“1”，截止频率“10000”Hz，允许通带纹波“1”dB，勾选滤波器阶数选项，下拉菜单选择“3”，此时阻带截止频率设置对话框变灰，再单击Next，如图.2所示。 图2 设置滤波器截止频率和阶数 （3）选择滤波器响应类型。FilterPro提供很多滤波器类型，包括三种基本滤波器类型：巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔；该界面同时可选择查看滤波器各响应波特图，包括幅频特性、相频特性和群延迟特性。这里选择“Butterworth”，幅频特性曲线幅度单位选择“增益（dB）”，然后点击Next，如图3所示。 图3 选择滤波器响应类型 （4）选择滤波器拓扑结构。FilterPro提供了基本的多重反馈型和压控电压源型（Sallen-Key），这里选择“Sallen-Key”结构，然后单击Finish，如图4所示。 图4 选择滤波器电路拓扑结构 （5）此时，滤波器的参数设置完成，弹出如图5所示原理图界面。在该界面中可以看到设计的原理图以及阻容器件的参数，原理图下方列出该滤波器的信息，如阶数、运放的最小增益带宽积、Q值等；界面中还有该滤波器对应的响应曲线；特别地，在界面的右上方可以设置阻容器件的精度，方便设计者设置元件参数值；在界面上方对应五个菜单，分别为原理图、滤波器数据表、BOM单、注释和导出设计，这些功能非常方便设计者对所设计的滤波器生成一个人性化的设计报告。 图5 滤波器设计完成界面 在设计完成之后不要忘记对该文件进行保存，执行File—>Save Design保存文件。 2．FilterPro软件设计有源二阶低通滤波器 （1）设计要求 设计一个低通滤波器，要求滤波器截止频率为100kHz，带外衰减不少于40dB/十倍频程，截止频率误差不大于10%（2011年全国大学生电子设计竞赛本科组E题：简易数字信号传输性能分析仪）。 （2）设计步骤 ①定义滤波器参数。由设计要求可知滤波器类型为低通滤波器，截止频率为100kHz，带外衰减不少于40dB，可用有源二阶RC、Sallen-Key型实现。 ②软件快速设计。按照上节中的FilterPro软件设计步骤，分别在设计界面输入本次滤波器参数：低通、增益0dB、2阶、100kHz、巴特沃斯、Sallen-Key型，可得到如图6所示电路图。 图6 100kHz滤波器软件设计电路图 ③实际硬件电路验证。根据软件设计，阻容精度默认设置为0%，阻容参数的精度越高，得到滤波器特性就越接近理想状态。实际硬件电路设计的原理如图7所示。有源器件选用带宽为10MHz的通用运放NE5532；图中11.25kΩ电阻通过10kΩ（R1、R3）和1.25kΩ（R2、R4）串联得到；为了方便参数选取，使用两个电容并联进行电容参数设置，本次设计用100pF（C3）和200pF（C1）标称值，C2和C4默认不焊接。阻容元件选取5%精度的E24系列。 图7 100kHz有源滤波器实际硬件设计电路 输入峰峰值为1V、频率从100Hz到2MHz的正弦波，对图7的实际电路进行验证，测试得到如图8所示的幅频特性曲线。 图8 C1=200pF、C3=100pF时滤波器幅频特性曲线 从测试数据以及幅频特性曲线可知，该滤波器-3dB截止频率约为96kHz，满足截止误差不大于10%的要求，而带外衰减从曲线上可知十倍频后衰减约为35dB，该项指标未能满足题目带外衰减不小于40dB的要求。 ④参数调整再验证。综合考虑PCB电路的寄生电容以及实际电容精度影响，将100pF的电容参数更换为两个47pF电容并联得到，即C3= C4=47pF，重新测试数据得到如图9所示的幅频特性曲线。 图9 更换参数后的滤波器幅频特性曲线 从测试数据以及幅频特性曲线来看，截止频率约为104kHz，满足截止误差不大于10%的要求，而十倍频衰减为41dB，满足题目带外衰减不小于40dB的要求。 （3）设计要点 ① 运放选型。在设计滤波器的时候要特别注意运放的增益带宽积（GBWP）和转换速率（SR）这两个参数，尤其是GBWP。一般地，根据滤波器参数的Q值大小，给出运放最小的带宽（其中，GAIN为增益）：
(1) 另外一个需要考虑的是运放的反馈类型。电压反馈（VFB）型运放通常具有高开环增益和单极点频率响应，大多数情况下选择电压反馈型运放做滤波器的有源器件。而电流反馈（CFB）型运放对于其反馈电阻的选用非常严格，加之由于许多有源滤波器的拓扑结构都采用了电容性反馈，而许多采用电流反馈的高速运放会出现电容性反馈引起的振荡。因此，采用电流反馈型运放来设计有源滤波器并非明智之举。 ②阻容参数的调整。由于电路板的影响，不可避免存在一些寄生电容。在滤波器的截止频率低时，设计使用的电容值较高，此时电路板的寄生电容（一般来说，电路板的寄生电容会有2～3pF）可忽略不记，并不会对所设计的滤波器造成太大影响。但若滤波器应用在频率稍高的场合，电容对截止频率以及阻带的衰减影响就会变得尤为明显，此时阻容的参数调整将会非常麻烦。在实验调试中，可采用缩放的方法，即将电容增大，同时将电阻减小，保持截止频率不变的情况下，减小寄生电容的影响。另外在实际电路调试中，可以通过拼凑的方式，即阻容的串并联来代替无法取到的阻容值也是一种提高精度的好方法。 ③当心电路中的Q值。当滤波器要求设置增益的时候，特别要注意Sallen-Key型滤波器的Q值和增益有关，需根据实际情况来设计。如图10为Q值不同时的幅频特性，Q值越大，幅频特性在截止频率附近出现的凸峰越明显。当设计如图7所示的带有增益的滤波器时，一般放大倍数不宜超过3倍；有的时候为了避免电路Q值影响到系统的通带，甚至不将增益设置放在滤波器电路里面，而是在滤波器之后加一级专门的放大电路。 图10 Q值不同时的幅频特性
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