介紹一種濾波器電路設計的簡易方法

1、南華大學黃智偉系列 介紹一種濾波器電路設計的簡易方法1. 進入TI WEBENCH設計中心在TI主界面的“Design Support”下拉菜單中，選擇“WEBENCH® Design Center”，或者按照網(wǎng)址 “”可以進入WEBENCH® Design Center WEBENCH® Designer Tools & Eco-System（WEBENCH®設計工具和Eco系統(tǒng)）。WEBENCH設計工具具有功能強大的軟件算法和可視化界面，能夠在幾秒鐘為用戶提供完整的電源，照明，傳感器等應用設計。WEBENCH® Designer T

2、ools包含有：· Power (single supply) · LED (enter LED) · Sensor AFE & Sensor Interface · Active Filters | Amplifiers · EasyPLL · All WEBENCH Tools單擊各選項，可以進入對應的設計工具。注意：使用WEBENCH® Design Center提供的WEBENCH® Designer Tools需要先注冊。圖1.1.1 WEBENCH® Design Center主界面2

3、. 濾波器電路設計方法1：利用“Active Filters”設計工具進行濾波器電路設計2.1進入“WEBENCH® Active Filter Designer”單擊“Active Filters | Amplifiers”的“Active Filters ”，進入“WEBENCH® Active Filter Designer”，在所顯示的界面中，在圖2.1.1所示對話框中，可以選擇設計對象：PLL，F(xiàn)ilter，Amps。圖2.1.1所示選擇的是“Filter”。在“Filter”設計對話框中，可以選擇Lowpass，Highpass， Bandpass ，Bands

4、top濾波器。單擊按鈕，進入濾波器設計界面，如圖2.1.2所示，開始濾波器電路設計。 圖2.1.1 “Filter”設計對話框 圖2.1.2 濾波器設計界面 2.2 濾波器電路設計2.2.1 選擇濾波器類型和傳輸函數(shù)在圖2.1.2濾波器設計界面中，選擇濾波器類型和“Search Transfer Functions（搜索傳輸函數(shù)）或者Pick a Transfer Function（選擇一個傳輸函數(shù)）”。本示例“Search Transfer Functions（搜索傳輸函數(shù)）”，單擊按鈕，進入“Specify Performance（指定性能）” 界面和對話框，如圖2.2.1所示。單擊，可以

5、打開“Flatness（平坦度）”“Group Delyay（組延時）”等界面和對話框（圖2.2.2），在對話框中可以設置和修改相關參數(shù)。圖2.2.1 “Specify Performance（指定性能）”界面和對話框圖2.2.2 “Specify Performance（指定性能）”界面2.2.2 濾波器參數(shù)設置與修改在對話框中可以設置和修改相關參數(shù)后，單擊按鈕，進入下一步。如果參數(shù)設置有問題，軟件會產(chǎn)生一個錯誤修改提示，例如圖2.2.3所示。（a）錯誤提示示例1（b）錯誤提示示例2圖2.2.3 錯誤修改提示 2.2.3 設計的濾波器參數(shù)和特性曲線修改參數(shù)后，單擊按鈕，進入下一步，顯示界面如

6、圖2.2.4所示。濾波器參數(shù)和特性曲線如圖2.2.5 所示。圖2.2.4 濾波器參數(shù)和特性曲線界面 （a）選擇濾波器響應 （b）用戶的濾波器特性（c）濾波器頻率響應 （d）濾波器組延時（e）濾波器建立響應 （f）濾波器相位響應圖2.2.5 濾波器參數(shù)和特性曲線2.3 創(chuàng)建電路單擊按鈕，進入下一步，顯示“2. Create a Design”界面如圖2.3.1所示。在圖2.3.1所示界面中，可以看到所設計的濾波器拓撲結構規(guī)范、電路和元器件參數(shù)，如圖2.3.2所示。（a）濾波器拓撲結構規(guī)范（b）濾波器電路1和元器件參數(shù)（c）濾波器電路2和元器件參數(shù)（d）濾波器電路3和元器件參數(shù)（e）用戶濾波器規(guī)范

7、圖2.3.2 所設計的濾波器拓撲結構規(guī)范以及相關參數(shù) 2.4 設計分析單擊圖2.3.1中按鈕，進入“3.Analyze a Design ”，顯示界面如圖2.4.1所示。移動鼠標到各元器件，可以看到該元器件的型號、數(shù)值等相關參數(shù)。圖2.4.1 “3.Analyze a Design ”界面2.5 建立設計單擊圖2.3.1中按鈕，進入“4. BuildIt”，顯示界面如圖2.5.1所示?？梢赃x擇購買或者申請運算放大器，以及電路所需材料清單，如圖2.5.2所示。圖2.5.1 “4. BuildIt”界面圖2.5.2 電路所需材料清單 3. 濾波器電路設計方法2：利用FilterPro濾波器設計軟件

8、進行濾波器電路設計TI公司提供了一個FilterPro濾波器設計軟件，并提供了一個濾波器設計軟件使用指南：SBFA001C FilterPro User's Guide.pdf文檔。在“WEBENCH® Design Center”界面上，可以下載“FilterPro v3.1”濾波器設計軟件，安裝后即可直接使用。 3.1 進入FilterPro從 “程序”Texas Instruments FilterPro desktop可以進入“FilterPro v3.1”濾波器設計軟件。打開的“FilterPro v3.1”濾波器設計軟件界面如圖3.1.1所示。3.1.1 打開的“

9、FilterPro v3.1”濾波器設計軟件界面 3.2 選擇濾波器類型 第1步在圖所示選項中可以選擇濾波器類型，選擇不同類型的濾波器將顯示不同的濾波器特性。（a）選擇濾波器（b）低通濾波器特性（c）高通濾波器特性（d）帶通濾波器特性（e）帶阻濾波器特性（f）全通濾波器特性圖3.2.1 選擇濾波器類型3.3 設置濾波器特性參數(shù)選擇濾波器類型后，單擊按鈕，進入第2步，可以在圖所示對話框中設置濾波器特性參數(shù)。圖 設置濾波器特性參數(shù)3.4 設置濾波器特性參數(shù)選擇設置濾波器特性參數(shù)后，單擊按鈕，進入第3步，可以在圖所示中觀察到濾波器的響應。（a） 濾波器的響應（b）選擇不同濾波器的響應圖 觀察和選擇濾

10、波器的響應3.5 設置濾波器特性參數(shù)觀察和選擇濾波器的響應后，單擊按鈕，進入第4步，可以在圖所示中觀察到濾波器的拓撲結構。在圖3.5.2所示對話框中可以選擇濾波器的結構類型。圖 觀察濾波器的拓撲結構（Multiple-Feedback(Single ended)）圖 選擇濾波器的結構類型圖 Sallen-Key濾波器的拓撲結構 圖 Multiple-Feedback(Fully differential)濾波器的拓撲結構 3.6 設計得到的濾波器的電路結構、元器件參數(shù)、相頻特性 選擇濾波器的拓撲結構后，單擊按鈕，進入第5步，可以在圖所示中觀察到濾波器的電路結構、元器件參數(shù)、相頻特性等。 圖 濾

11、波器的電路結構、元器件參數(shù)、特性圖（a）電路結構和特性（b）電路結構和特性（c）電路結構和特性圖 放大的圖3.6.1 濾波器的電路結構、元器件參數(shù)、特性圖3.7 其他操作單擊圖所示按鈕，可以獲得所設計電路的電路圖、數(shù)據(jù)、元器件清單，設計報告等文件。設計報告中包含有電路原理圖、元器件參數(shù)、相頻特性等。圖 功能按鈕單擊“Edit”下拉菜單，Design選項，可以進入下一個濾波器電路設計。3.8 FilterPro濾波器設計軟件與TINA-TI 電路仿真工具結合使用 利用FilterPro濾波器設計軟件設計完成的濾波器電路，運算放大器采用的是理想運算放大器，可以利用TINA-TI 電路仿真工具，選擇

12、具體的運算放大器型號進行仿真，獲得可以實際運行的濾波器電路。4. TINA-TI 電路仿真工具 4.1 TINA-TI 電路仿真工具簡介TINA-TI是一款易于使用但功能強大的電路仿真工具，基于 SPICE 引擎。TINA-TI 是完整功能版本的 TINA，和 TI 的宏模型以及無源和有源模型一起加載。相比 7.0 版本，TINA-TI的新 9 版本在以下方面進行了改進：· 已包含原理圖符號編輯器（可與宏向導配合使用），所以您可以為導入的 SPICE 宏模型創(chuàng)建自己的符號。 · 宏不必一定得是 TI 出品 現(xiàn)在您可以導入任何品牌的 SPICE 模型！ · 無需有源

13、或非線性分析組件（因此您可以立即運行采用無源的電路）。 · TINA-TI包含初始條件和節(jié)點集組件 · TINA-TI包含線性和非線性受控源（VCVS、CCVS、VCCS、CCCS）和受控源向導。 · TINA-TI現(xiàn)在允許 WAV 文件充當激勵（信號源）。您可以在 PC 的多媒體系統(tǒng)上播放計算波形，并將計算波形作為 *.wav 文件導出。 · TINA-TI擁有多核處理器支持；它及其它優(yōu)化性能使模擬運行速度快了 2-20 倍。 · 采用 XML 格式的原理圖文件導入/導出 · 包含的塊向導用于制作方框圖 · TINA-TI

14、包括更多 SPICE 模型和示例電路。 · TINA-TI9 中開發(fā)的電路將與 TINA Industrial 9 版本配合使用。 · TINA-TI 版本 7.0 與版本 9 向前兼容，而版本 9 支持版本 7.0 格式的節(jié)省原理圖。 · 提供英語、繁體和簡體中文、日語和俄語版本。 TINA-TI版將繼續(xù)在某個時間期限內得到支持。建議用戶下載最新版本的 TINA-TI 以獲得版本 9 的所有優(yōu)勢。 有關 TINA-TI 版本 9 的常見問題解答 （1）特性TINA-TI提供了 SPICE 的所有傳統(tǒng)直流、瞬態(tài)和頻率域分析以及更多。TINA 具有廣泛的后處理功能，

15、允許您按照希望的方式設置結果的格式。虛擬儀器允許您選擇輸入波形、探針電路節(jié)點電壓和波形。TINA 的原理圖捕捉非常直觀 - 真正的“快速入門”。 輔助版本TINA-TI是完整功能版，但是不支持完整版 TINA 所具有的某些其它功能。TINA-TI安裝大約需要 200MB。直接安裝，如果想卸載也很容易。您肯定不想卸載。TINA-TI是 DesignSoft 的一款產(chǎn)品，此特別輔助版本TINA-TI是由 DesignSoft 專為德州儀器 (TI) 而準備的。 （2）宏模型TINA-TI版本 9 和 TI 模擬宏模型一起預加載。每個宏模型均已經(jīng)過測試并且在工具中可用。有關可用 TINA-TI模型的

16、完整列表，請參見 SpiceRack - 完整列表（3）應用TINA-TI 中包括了許多應用原理圖。這是電路仿真最快捷、最容易的方式。您可以修改它們并用“另存為”保存更改。這些應用原理圖將可在 TINA 的全部版本上運行，可配置為運行示例中所示的分析類型。 可以從 TINA-TI 程序軟件的 "Examples" 文件夾下的文件夾中獲得這些文件。要在下載最新版本后查看工具中的此信息，請轉到菜單欄中的“文件”，然后選擇菜單選項“打開示例.”。應用原理圖類別包括： · 放大器和線性電路o 音頻（音頻運算放大器濾波器、麥克風前置放大器） o 負載電容補償（C-oad 補

17、償、線路驅動器） o 比較器（比較器電路） o 控制環(huán)路（PI 溫度控制） o 電流環(huán)路（4-20mA、0-10mA） o 電流測量（電流發(fā)送、并聯(lián)測量） o 差動放大器差動到單端（差動輸入到單端輸出、單端輸入到差動輸出等等） o FilterPro 濾波器（多反饋，Sallen-Key：由 FilterPro 合成） o 其它濾波器（全通、低通過、高通、可調、雙 T 形） o 振蕩器（維恩電橋） o 功率放大器（激光驅動器、TEC 驅動器、并行電源、LED 驅動器、光電二極管驅動器） o 精密放大器（低漂移、低噪聲、低偏移、分壓器） o 傳感器調節(jié)（熱敏、電阻電橋、電容電橋、Inst 放大器

18、濾波器） o 信號處理（峰值檢測器、削波放大器） o 單電源（單電源運算放大器電路） o 測試（電容乘法器、調節(jié)電壓基準、通用集成器、負載消除、x1000 縮放放大器、準耦合 AC 放大器） o 互阻抗放大器（光電二極管、光探測器） o 電壓電流轉換器（電壓至電流、電流至電流） o 寬帶（寬帶運算放大器電路） · SMPS（開關式電源）o 針對 SMPS 器件的器件評估模塊 (EVM) 參考設計以下文件目前尚未包括在 TINA-TI 的“示例”文件夾下，但可從下方的鏈接下載：· 噪聲分析o 噪聲源 · 傳感器仿真器o RTD 仿真器 TINA-TI 版本 9 的最

19、低硬件和軟件要求是：· 與 IBM PC 兼容的計算機，帶有： o Pentium 或等效處理器 o 256MB 的 RAM o 至少有 200MB 可用空間的硬盤驅動器 · 鼠標 (Mouse) · VGA 適配卡和監(jiān)視器 · Microsoft Windows 98/ME/NT/2000/XP/Vista/Windows 7 TINA-TI 使用入門：快速入門指南(SBOU052AAugust 2007Revised August 2008 Getting Started with TINA-TI) 概括性地介紹了強大的電路設計和模擬工具 TINA-

20、TI。TINA-TI 是對各種基本電路和高級電路（包括復雜架構）進行設計、測試和故障排除的理想選擇，無任何節(jié)點或器件數(shù)量限制。此文檔旨在幫助新的 TINA-TI 用戶在盡可能短的時間內使用 TINA-TI 軟件的基本功能著手創(chuàng)建電路仿真。 4.2“TINA-TI”的下載和安裝 單擊WEBENCH® Design Center界面上的“TINA-TI - Downloadable Circuit Simulation Spice Simulation Tool ”可以進入“SPICE-Based Analog Simulation Program”下載界面，如圖所示。TI提供原理圖編輯

21、器使用指南：SBOU052A Getting Started with TINA-TI.pdf。圖 “SPICE-Based Analog Simulation Program”下載界面 ，選擇“TINA-TI_SIMP_CHINESE:SPICE-Based Analog Simulation Program”，單擊“Download”下載該軟件。下載完成，解壓縮后，雙擊圖標，按照提示進行安裝。4.3 學習和了解“原理圖編輯器”的功能安裝完成后，雙擊桌面快捷方式圖標，進入原理圖編輯器，如圖4.3.1所示。原理圖編輯器使用方法可以參考文檔“Getting Started with TINA-T

22、I: A Quick Start Guide (Rev. A) (PDF 3321 KB) 21 Aug 2008”。 電路設計工作區(qū)圖4.3.1 原理圖編輯器也可以單擊“幫助”下拉菜單，選擇“內容”、“元件幫助”等菜單。進入相關的界面，了解和學習該軟件的功能、使用方法等。選擇“內容”菜單，進入“內容”幫助界面，如圖4.3.2所示。選擇需要了解的內容，單擊該選項，即可顯示該內容，例如選擇“傅立葉（頻）譜”，顯示內容如圖4.3.3所示。圖4.3.2 “內容”幫助界面 圖4.3.3 選擇“傅立葉（頻）譜”的顯示內容選擇 “元件幫助”菜單，進入“元件幫助”幫助界面，如圖4.3.4所示。圖4

23、.3.4 “元件幫助”幫助界面 單擊“元件幫助”幫助界面中的選項，可以了解和學習相關內容。例如單擊“制造商模型 運算放大器”選項，顯示的界面如圖4.3.5所示。圖4.3.5 “制造商模型 運算放大器”選項的界面4.4 “原理圖編輯器”中的示例在“文件”下拉菜單中，單擊“打開例子”，出現(xiàn)示例選擇文件夾界面，如圖4.4.1所示。選擇所需示例文件夾，單擊“打開”，例如打開“Oscillators”，可以選擇文件夾中所包含的示例，如“Wien-Bridge Oscillators.TSC” ，如圖4.4.2所示。單擊“打開”，在“原理圖編輯器”“電路設計工作區(qū)”顯示的內容如圖4.4.3所示。圖4.4.

24、1 示例選擇文件夾界面 圖4.4.2 打開“Oscillators”文件夾圖4.4.3 在“原理圖編輯器”“電路設計工作區(qū)”顯示的內容 修改圖中R1和C1的數(shù)值，可以改變振蕩器頻率，例如修改C1為30nF，單擊“分析”下拉菜單中的“瞬時分析”，在顯示的對話框中（圖4.4.4）設置起始和終止顯示時間，例如10ms和30ms，顯示的波形如圖4.4.5所示。圖4.4.4 “瞬時分析”的對話框（a）終止顯示時間為10ms的振蕩器波形（b）終止顯示時間為30ms的振蕩器波形圖4.4.5 10ms和30ms的顯示波形4.5 電路設計在“原理圖編輯器”中可以進行新的電路設計。具體操作請參考TI提供的原理圖編

25、輯器使用指南：“SBOU052A Getting Started with TINA-TI.pdf”。 例如：利用FilterPro濾波器設計軟件設計完成的濾波器電路，運算放大器采用的是理想運算放大器，可以利用TINA-TI 電路仿真工具，選擇具體的運算放大器型號進行仿真，獲得可以實際運行的濾波器電路。5. 濾波器的基本參數(shù)介紹LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、表面聲波濾波器（SAW）和分布參數(shù)濾波器這些不同種類的濾波器在射頻電路中廣泛應用，它們的尺寸、價格、性能各不相同，應用范圍也不同。例如：LC濾波器適合精確濾波波形的應用，工作頻率范圍從1kHz1.5GHz。但是對于需要陡峭的邊緣的濾波

26、波形（窄帶濾波）， LC濾波器是不合適的。 在帶通濾波器和帶阻濾波器中經(jīng)常使用晶體濾波器，工作頻率范圍在10kHz400MHz。 表面聲波濾波器的頻率邊緣響應是最陡峭的，在20MHz3GHz頻帶中可以代替LC濾波器，具有625dB的插入損耗。 分布參數(shù)濾波器利用印刷電路板上的銅箔（導線）構成窄帶或者寬帶濾波器，工作頻率范圍從500MHz40GHz（以上），具有很高的Q值。但是視其頻率和設計不同，它將占用大量的印刷電路板空間。一些不同結構的濾波器具有不同的特性。例如巴特沃斯（Butterworth ）濾波器，頻率響應具有最大平坦性，具有中等的選擇性，適中的群延時，對元件的變化不是那么的敏感。切比

27、雪夫（Chebyshev）濾波器具有很高的頻率選擇性，但頻率響應在通帶內有一定的紋波，該紋波在信號通過濾波器輸出端時強行加入到信號中，具有高的群延遲變化。貝塞爾（Bessel）濾波器在整個通帶內沒有紋波，并且只有很小的群延遲變化，但它的選擇性很差，對元件的要求很高。在綜合分析濾波器的各種情況時，下列的一些參數(shù)是重要的：（1）絕對衰減（Absolute attenuation）在阻帶中某一特定的頻段上，濾波器所能達到的最大的衰減，單位為dB。（2）帶寬（Bandwidth）對于帶通濾波器，帶寬的定義是通帶內3dB衰減的兩個截止頻率點之間的間隔（fHfL），單位為Hz。 （3）中心頻率（Cente

28、r frequencyic）通帶的中心點頻率，單位為Hz。（4）截止頻率（Cutoff frequency）相對平均的通帶頻率響應，下降達到3 dB的頻率點，單位為Hz。（5）倍頻衰減量（dBoctave，Decibels of attenuation Per octave）倍頻衰減量表現(xiàn)濾波器的頻率響應的陡峭程度。通過倍頻衰減量，可以了解當頻率相對通帶增加或者減少時的衰減。（6）差分延遲（Differential delay）在兩種不同頻率之間會有群延遲變化（GDV，Group Delay Variation），單位為ns。（7）群延遲（GD，Group Delay）群延遲指任何離散信號通過濾波器或電路時所產(chǎn)生的在時間上的延遲，單位為ns。任何有陡峭的頻率響應和或有高極點的濾波器都有很高的群延遲變化。這可以通過增加濾波器帶寬來降低GDV；選擇較少的極點；或者選擇巴特沃斯濾波器；或者滿足特定選擇性的條件下，用貝塞爾濾波器。群延遲變化直接等同于上面所述的差分延遲。（8）插入損耗（Insertion loss）插入損耗是濾波器固有的、某種程度的功率損耗，插入損耗定量地描述了功率響應幅度與0 dB基準的差值，其數(shù)學表達為： 其中，PL是濾波器向負載輸出的功率，Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率，|in|是從信號源向濾波器看去的反射系數(shù)，單位為dB。（9）