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使用单片通用有源滤波器IC加速物联网模拟前端设计

在为物联网设计时,看起来很简单 - 只需将传感器射频信号转换为数字,然后从那里开始工作。但是速度并不快:它仍然是一个模拟世界,模数转换器(ADC)的输入需要进行带宽限制以防止混叠。同样,数模转换器(DAC)的输出也需要进行滤波,以减少谐波并消除“尖峰”。
但是,尽管上市时间和模拟技术的专业知识越来越有限,但滤波器类型,衰减,可靠性和准确性方面的设计限制依然存在,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了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。
本文将介绍对主动前端过滤的需求及其典型设计要求,约束和折衷。然后它将介绍三种通用有源滤波器类型,它们的显着特点,以及如何正确使用它们以获得最佳结果。

应用过滤器

应在传感器的缓冲放大器和ADC之间安装一个抗混叠滤波器或带阻滤波器(图1)。
传感器和ADC之间的滤波图
图1:传感器和ADC之间的滤波在物联网中起着关键作用,防止混叠,消除寄生信号的拾取,从而提高信号质量。(图片来源:Digi-Key Electronics)
滤波器必须放置在传感器的ADC之前,以限制ADC输入的带宽。将传感器放置在传感器缓冲器后,可以最大限度地减少由于过滤器而导致的传感器负载 在这个位置,滤波器可以限制传感器的输出并消除寄生信号。

别名

数字化模拟信号需要以比信号中出现的最高频率分量大两倍的速率对其进行采样,以便无误地恢复信号。如果模拟信号的采样频率低于其最高频率的两倍,则会发生混叠形式的频谱失真(图2)。
频域采样过程图

图2:在频域观察采样过程表明,采样时间小于信号带宽的两倍时,会产生由混叠引起的频谱失真。(图片来源:Digi-Key Electronics)
采样是一个混合操作。在频域(图2的右侧),直到其带宽(f BW)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,基带频谱和采样频率附近的下边带就不会相互影响。如果采样频率降低到小于信号带宽的两倍,则基带信号和采样频率附近的下边带相互作用,使信号不可恢复地失真。
在对IoT传感器进行数字化的情况下,来自传感器的信号需要被限制在不到采样速率一半的频带上,即奈奎斯特频率。这是通过过滤传感器输出信号来完成的。也可能需要额外的滤波来消除干扰信号。

过滤器类型

滤波器是有源或无源电路,可消除信号中不需要的频率分量,增强所需的信号分量,或两者兼而有之。滤波器最好在频域中描述(图3)。
四种基本滤波器类型的图像是低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器
图3:四种基本的滤波器类型是低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器。(图片来源:Digi-Key Electronics)
低通滤波器使频率低于其带宽(f 通过)的信号通过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(f stop)。通带区域的滤波器衰减的变化被称为通带波纹。类似地,阻带信号电平的变化是阻带纹波。通带的上端和下端的阻带极限之间的区域称为过渡区域。
正如其名称所示,高通滤波器使频率高于通带下限(f 通过)的信号通过,衰减频率较低的信号。
通带滤波器在其通带限制(f pass1和 f pass2)之间传递信号频率,并衰减频率在该范围之外的信号。
带阻或带阻滤波器在其阻带内衰减信号,并通过其通带内的信号。
在ADC之前选择低通滤波器进行抗混叠,在DAC之后选择低通滤波器作为重构滤波器。

过滤响应

设计人员可以从多种滤波器响应类型中进行选择,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。常见的反应类型是贝塞尔,巴特沃斯和切比雪夫(图4)。
贝塞尔,巴特沃斯和切比雪夫低通滤波器响应图
图4:比较贝塞尔,巴特沃斯和切比雪夫低通滤波器的响应。(图片来源:Digi-Key Electronics)
一个理想的低通滤波器将提供无限的衰减,消除截止频率以上的信号,并以单位增益传递低于截止频率的信号。在现实世界中,需要各种权衡来优化每个应用程序的性能。
图4所示的三个滤波器响应具有特定的特征。巴特沃斯滤波器具有最大平坦的幅度响应。这意味着它在通带中提供了最平坦的增益响应,并在过渡区域有适度的滚降。如果幅度精度是最重要的问题,可以选择这个滤波器。
贝塞尔滤波器为恒定的群时延提供最大的平坦时间延迟。这意味着它们具有频率线性相位响应和脉冲输入的优异瞬态响应。这种优异的相位响应是以通带平坦度和超出通带的衰减初始速率为代价的。
切比雪夫滤波器被设计成在过渡区域呈现更陡峭的滚降,但是在通带中具有更多的波纹。如果采样率接近信号带宽,那将是选择的滤波器。
这些特征可以在图4中容易地观察到。

过滤顺序

滤波器顺序是指滤波器设计的复杂性。该术语涉及设计中的无功元件(如电容器)的数量。通常,滤波器的顺序影响过渡区域滚降的陡峭程度,并因此影响过渡区域的宽度。一阶滤波器的倍频程为6 dB,或每十倍频程为20 dB。第n阶滤波器将具有6×n dB /倍频程或20×n dB /十倍频程的滚降速率。因此,一个四阶滤波器的滚降率为每倍频程24 dB或每十倍频程80 dB。
可以通过级联多个滤波器部分来增加滤波器的顺序。例如,两个二阶低通滤波器可以级联在一起以产生一个四阶低通滤波器,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使用带有电阻/电容(RC)无源元件的运算放大器实现。几家集成电路供应商提供通用有源滤波器,包含运算放大器和关键RC组件,以简化滤波器设计和制造。
其中第一个是德州仪器TI)生产的UAF42AU。这个通用滤波器使用了一个典型的状态变量拓扑结构,采用三个运算放大器 - 两个作为集成器,另一个作为夏季。包括第四个未提交的运算放大器以提供设计灵活性(图5)。这些IC中的每一个都提供了一个最大通带为100 kHz的双极或二阶滤波器元件。
德州仪器UAF42AU通用有源滤波器示意图
图5:德州仪器UAF42AU通用有源滤波器采用状态变量滤波器拓扑结构。(图片来源:德州仪器)
UAF42AU的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。
凌力尔特的另一种通用有源滤波器采用了稍微不同的方法。的LT1562家族包括用于从10赫兹至150千赫兹(图6)的频率而优化四个独立的二阶滤波器块。
凌力尔特LT1562四通道滤波器的框图
图6:Linear Technology LT1562四通道滤波器的框图,显示了四个二阶段。(图片来源:Linear Technology)
该通用滤波器适用于需要高动态范围的应用,其中多个二阶部分可以级联以实现高达八阶滤波器。
Maxim Integrated提供通用有源滤波器,每个器件最多可以有四个二阶段。的MAX274包括的二阶状态变量滤波器块四个部分(图7)。MAX274提供150 kHz的最大带宽。所有四个部分可以级联以创建高达八阶滤波器。
Maxim Integrated MAX274四连续时间有源滤波器的一个部分的图表
图7:方框图显示了Maxim Integrated MAX274四连续时间有源滤波器的一个部分。(图片来源:Maxim Integrated)
所有这些通用滤波器集成电路都可以配置巴特沃斯(Butterworth),贝塞尔(Bessel)或切比雪夫(Chebyshev)响应。大多数滤波器可以设计成任何常见的滤波器类型:低通,高通,带通或带阻。

设计支持

所讨论的所有通用有源滤波器组件均由其制造商提供全面的设计辅助工具以支持快速开发和生产。这些包括应用笔记,过滤器设计程序,CAD和仿真模型。
这种支持的一个例子是60Hz陷波滤波器的设计仿真,该滤波器用于抑制传感器中的电力线串扰(图8)。
60 Hz带阻或陷波滤波器的仿真图
图8:使用制造商提供的仿真模型仿真基于Texas Instruments UAF42有源滤波器的60 Hz带阻或陷波滤波器。(图片来源:Digi-Key Electronics)
该设计基于德州仪器UAF42香料模型,在60 Hz时提供超过30 dB的衰减。在这种情况下,德州仪器提供了模拟程序以及IC模型。

结论

通用有源滤波器积木式IC提供了一种快速而准确的方法,以简单快捷的方式从最简单到最复杂的设计和构建模拟有源滤波器。它们在滤波器类型,响应和拓扑结构的选择上提供了很大的灵活性,以满足任何应用需求。

(责任编辑:ioter)

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