有源滤波器的设计理论模拟滤波器在信号链的应用中一般用作抗混叠滤波器设计模拟滤波器的时候关于通带和截止带设定会用到采样定理的知识在时域中, 信号经过滤波在采样是 s(t) 和 h(t) 卷积, 然后再跟 δ(t) 相乘对应到频域, 信号 S(ω) 和 H(ω) 相乘, 然后再跟 δ(ω) 卷

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互吕
6 years ago
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1 WEBENCH 有源滤波器设计与实现何宾

2 有源滤波器的设计理论模拟滤波器在信号链的应用中一般用作抗混叠滤波器设计模拟滤波器的时候关于通带和截止带设定会用到采样定理的知识在时域中, 信号经过滤波在采样是 s(t) 和 h(t) 卷积, 然后再跟 δ(t) 相乘对应到频域, 信号 S(ω) 和 H(ω) 相乘, 然后再跟 δ(ω) 卷积 2

3 有源滤波器的设计理论原始信号和低通滤波器的频谱信号经过低通滤波器的频谱 3

4 有源滤波器的设计理论采样函数 δ(t) 的频域结构 δ(ω) 经过滤波的信号跟 δ(ω) 卷积后的频谱 4

5 有源滤波器的设计理论从图中可以看出, 在频域轴上, 频谱周期延拓在滤波器的过渡带内会产生频谱混叠只要混叠区域不干扰到有用信号频谱 ( 混叠区域幅度足够小或者避开有用信号区域 ) 就不会产生错误根据频谱的对称性,0 到 fs/2 的区域被称为奈奎斯特域由于实际中滤波器不能做到 0 过渡带, 所以采样率 fs 要大于信号带宽 fa 的数倍 5

6 有源滤波器设计内容包括设计要求设计过程运放选择 6

7 有源滤波器设计 -- 设计要求假设所感兴趣信号的最高频率为 100Hz, 信号幅度为 0~4Vpp, 使用 2K 的频率对信号采样期望达到 12 位的精度 fa=100h 为最高频率, 设置它为低通滤波器的 -3dB 截止频率 fs 为采样率 2kHz 根据奈奎斯特采样定律, 超过 fs/2 的信号将混叠到 0~fs/2 频段中, 其中 (fs-fa)~fs 间的频率成分将混叠回 0-fa 频段内为了保证 0~fa 频段内 12 位的精度, 即 72dB 的动态范围 7

8 有源滤波器设计 -- 设计要求 72db=20 log(2 12 ) 高于 fs-fa 的频率分量都应该被低通滤波器限制在 -72dB 以下将 ADC 的最大量程归一化后为 0db, 则 12bit ADC 能测量到的最小信号为 -72db, 要使混叠到带内的信号不干扰 ADC 采样, 则需要衰减到 -72db 以下所以, 截止频率应该为 fs-fa=1.9khz, 衰减量为 72dB 8

9 有源滤波器设计 -- 设计过程在 Altium Designer 主界面主菜单下, 选择 WEBENCH- >WEBENCH Design Center->WEBENCH Filter Designer 自动打开 IE 浏览器在 FILTER DESIGNER VISUALIZER 窗口中输入滤波器设计参数 9

10 有源滤波器设计 -- 设计过程 10

11 有源滤波器设计 -- 设计过程滤波器设计参数 Gain( 滤波器增益,Ao):1 Cutoff Frequency( 截止频率,fc):100Hz Stopband Frequency( 阻带频率,fs):1900Hz Stopband Attenuation( 阻带衰减,Asb):-72dB Supply Voltage:+/-12V 该界面中, 右侧给出了对应的响应特性曲线选中 Enter Flatness Specs 前面的复选框 11

12 有源滤波器设计 -- 设计过程出现 Passband Ripple 子窗口在该窗口中, 按下面设置参数 Flatness Specification( 通带起伏,ΔAmax):0.5dB Magnitude Flatness Lower Test Frequency( 平坦度范围起点频率,f1F) :0Hz Magnitude Flatness Higher Test Frequency( 平坦度范围终止频率,f1F) :100Hz 单击 Start Filter Design 按钮 12

13 有源滤波器设计 -- 设计过程出现滤波器设计界面 13

14 有源滤波器设计 -- 设计过程 WEBENCH 为设计滤波器提供了最大的灵活性和方便性设计界面中由 6 个组成部分组成 : 1 是设计优化, 可以在阻带衰减冲击响应和成本之间优化 2 是设计条件修改, 可以在设计过程中随时修改设计条件 3 是方案筛选, 可以推动滚动条对待选方案的性能进行筛选, 例如阻带衰减值阶数波动和延时等 4 是方案可视化对比, 将待选方案的延时阻带衰减和阶数等参数显示在三维图中, 图的坐标表示的参数可以在下拉菜单中选择 5 是待选方案, 表格中有各方案的特性参数 6 是方案性能曲线对比, 可以点击曲线进行放大, 方便查看 14

15 有源滤波器设计 -- 设计过程设计中首先选择滤波器频率响应的类型, 常用的有 Bessel, Butterworth 和 Chebychev 概括来说: Bessel 拥有最平坦的通带和最缓的截止速率 ; Chebychev 拥有最陡的截止速率, 但其通带起伏最大 ; 而 Butterworth 的表现为两者的折衷 15

16 有源滤波器设计 -- 设计过程单击设计界面中的性能曲线, 观察幅频特性, 三种滤波器的 -3dB 的截止频率均为 100Hz 将左图放大, 观察三种滤波器在截止频率上的差异, 从图中可以看到黄色曲线 (Chebychev) 下降的最快, 绿色曲线 ( Butterworth) 下降速率居中 16

17 有源滤波器设计 -- 设计过程在 Solution 界面中, 给出了几种可选的方案, 选择 Butterworth 型滤波器一行单击该行最前面的按钮 17

18 有源滤波器设计 -- 设计过程出现 FILTER DESIGNER DESIGN SUMMARY 界面 18

19 有源滤波器设计 -- 设计过程 1 是设计优化, 可以在电路对元件的敏感程度成本和占用 PCB 面积之间进行优化 ; 2 是器件的选择, 支持选择不同型号的运放 ; 3 是拓扑选择, 可以选择 MFB 型或者 Sallen-key 型 ; 4 是滤波器类型修改, 可以在设计中重新选择滤波器的类型 ; 5 是电路原理图, 图中增益参考可以修改 ; 6 是器件修改, 可以改变电路图中的元件, 方便设计优化调整 19

20 有源滤波器设计 -- 设计过程简单来说 : 多重反馈 (MFB) 型滤波器是反相滤波器, 其 Q 值截止频率等对元器件改变的敏感度较低, 量产时有一定优势, 缺点在于输入阻抗低, 增益精度不够好 ; Sallen-Key 型滤波器是同相滤波器, 其优点在于拥有高输入阻抗增益设置与滤波器电阻电容元件无关, 所以增益精度极高且在单位增益时对元器件的敏感度较低由于该设计增益设置为 1, 所以选择 Sallen-Key 型 20

21 有源滤波器设计 -- 设计过程单击 Select Alternate 按钮, 打开备选列表后 simulation 中有正弦波的器件才支持仿真在当前界面工具栏内, 单击 Sim Export 按钮, 准备导出文件并在 Altium Designer 中进行仿真 21

22 有源滤波器设计 -- 设计过程在提示对话框中, 选择 Altium Designer,WEBENCH 工具准备导出仿真文件到 Altium Designer 中单击 Export 按钮单击 Download File 按钮打开对话框界面, 指定保存文件路径 22

23 有源滤波器设计 -- 设计仿真在 Altium Designer 主界面主菜单下, 选择 WEBENCH->Open WEBENCH Design 指向刚才保存文件的目录打开设计在 Altium Designer 主界面主菜单下, 选择 WEBENCH- >WEBENCH Simulation Engine->Run WEBENCH Simulation Engine,Altium 开始运行仿真 23

24 有源滤波器设计 -- 设计仿真仿真结果 24

25 有源滤波器设计 -- 运放选择增益带宽积对于 MFB 结构运放的 GBP 最小为 100 Gain fc 对于 Sallen-key 结构注 :( 1) 当 Q<=1 时, 运放 GBP 至少为 100 Gain fc; 而高 Q 值的 Sallenkey 结构需要更高 GBP 的运放 : (2) 当 Q>1 时, 运放 GBP 至少为 100 Gain Q3 fc; 压摆率 : SlewRate > (2π VOUTP-P fc) 25

26 过采样简化模拟滤波器设计也许你会对三阶滤波器不满意, 多一个元件毕竟多一些成本为解决这个问题, 可以提高采样率到 20kHz 这样, 只需担心 19.9kHz 和 20kHz 之间的信号是否会混叠到 0-100Hz 间这样, 设定阻带为 19.9K, 我们拥有了更宽的过渡带使用 WEBENCH 重新设计后, 一个两阶滤波器就可以满足甚至超过我们的期望 26

27 过采样简化模拟滤波器设计 27

28 过采样简化模拟滤波器设计二阶滤波器的幅频响应和相频响应 28

29 过采样简化模拟滤波器设计根据运放选择的方法, 至少需要的带宽为 10kHz, 压摆率仅需 0.024V/uS, 一个普通的 ua741 就满足这些要求但为了提高直流精度, 我们选择 OPA277, 其增益带宽积为 1MHz, 压摆率为 0.8/uS, 失调电压仅为 20uV -5 V1 5 V R k R k U1 OPA277 VF1 + VG1 C2 100n +5 C1 200n 29

30 过采样简化模拟滤波器设计该电路具有很好的幅频响应特性从图中可以看到, 在 19kHz 处衰减达到了 -80dB 但是, 随后增益曲线开始上升, 对更高频率处的抑制能力下降, 这是 Sallen-Key 型滤波器特有的高频溃通现象这是由于电容 C1 C2 在高频处逐渐短路带来的, 而增益曲线最终将稳定在 R O / R1 这个点其中 :R O 为运放的开环输出阻抗从图中可以看到, 增益曲线稳定在 -47dB, 即通过等式 : -47=20log(R O /11.25k) 得到 RO 为 50 欧姆, 符合高精度 Bipolar 运放低开环输出阻抗的特点 30

31 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法在 Sallen-Key 后面加 RC 滤波器幅频响应特性,RC 电路可以获得很好的滤波效果, 但是大大增加了滤波电路的输出阻抗, 并给滤波器带来了附加的相移 -5 V1 5 V VF1 R k R k - R3 1k VF U1 OPA277 VG1 C2 100n +5 C3 160n C1 200n 31

32 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法在 C1 和输出间连接隔离运放, 幅频响应特性在反馈回路加入隔离运放的方法虽然成本和电路复杂度增加, 但是带来了更好的滤波效果 V1 5 V2 5 R k R k C2 100n VG1-5 - U1 OPA U2 OPA134 VF1 C1 200n -5 32

33 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法在采样率提高后, 需要 : 首先需要考虑 CPU 的处理能力是否能跟上其次, 需要考虑的问题是虽然通过提高采样率能简化模拟滤波器设计, 并很好的抑制高于 fs/2 的噪声, 但是 fa-fs/2 内增加的噪声怎么办? 不用担心, 虽然 fa-fs/2 这部分噪声增大了, 但它们不会混叠到 0-fa 中, 只需使用一个数字滤波器就可以完成噪声的滤除工作 33

34 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法同时, 高采样率还有助于把量化噪声分布到 kfs/2 上来, 从而减少 0-fa 中的噪声所以, 有结论说每当采样率提高一倍, 滤波器带内的信噪比就可以增加 3dB 34

35 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法 Delta-Sigma ADC 就是充分利用了过采样技术和数字滤波器, 并且还通过 Delta-Sigma 调制, 把带内噪声推向高频处的方法进一步减小感兴趣的通带内的噪声. 35

36 过采样简化模拟滤波器设计 -- 解决高频溃通现象常有的方法由于 Delta-Sigma ADC 常常用数 MHz 的采样率对数 Hz 的信号进行过采样, 因此在模拟滤波器端,Delta-Sigma ADC 通常只需要一个简单的 RC 滤波器, 这个 RC 滤波器可能会大大提高设计者的设计精度 36

37 多阶滤波器改善过渡带 -5V V5 + VG1 R k C1 1n U1 OPA2140 R k R k C2 6.73n C3 1n U2 OPA2140 R4 3.12k R5 3.12k C n C5 1n U4 OPA2140 R R C n C7 1n VF1 U3 OPA

38 多阶滤波器改善过渡带 -- TINA-TI 中的 AC 分析在 TINA-TI 主界面主菜单下, 选择 Analysis->AC Analysis->AC Transfer Characteristic, 38

39 多阶滤波器改善过渡带 -- TINA-TI 中的 AC 分析打开 AC Transfer Characteristic 对话框界面在该界面中, 按如下设置参数 : 39

40 多阶滤波器改善过渡带 -- TINA-TI 中的 AC 分析单击 OK 按钮信号经过 4 个运放后的幅频曲线, T m Gain (db) m 信号经过 4 个运放后的幅频曲线 k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 经过运放后的幅频曲线 T m T m Gain (db) m Gain (db) m k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 经过 1 2 运放后的幅频曲线 2.08m k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 经过 1 运放后的幅频曲线 40

41 多阶滤波器改善过渡带 -- TINA-TI 中的 AC 分析 T m T 1.40 Gain (db) m Gain (db) m 2.08m k 10k 100k 1M Frequency (Hz) k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 通过 1 运放的幅频曲线通过 2 运放的幅频曲线 T T 3.18 Gain (db) 1.59 Gain (db) k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 通过 3 运放的幅频曲线 k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 通过 4 运放的幅频曲线 41

42 何宾老师出版的 Altium Designer 15.0 电路仿真设计验证与工艺实现权威指南一书中所有设计案例源代码书中所用半导体器件相关参考手册书中所用 PCB 制板工艺设计资料 Altium 提供的元件库封装等设计资源请通过如下地址进行下载如将本书做为教材需 ppt 源代码请访问如下地址 :

Altium Designer13.0软件设计方法和安装

Altium Designer13.0软件设计方法和安装 Altium Designer15.0 软件设计方法和安装何宾 2015.07 参考书籍 Altium Designer15.0 电路设计仿真验证与工艺实现权威指南,2015.08, 清华大学出版社学习内容与目标 Altium Designer 一体化设计理念 Altium Designer15.0 安装和配置 Copyright 2009 Altium Limited 3 Altium