UAF42通用有源滤波器设计程序

虽然有源滤波器在现代电子技术中是至关重要的，但它们的设计和验证可能是冗长和费时的为了帮助设计有源滤波器，Burr Brown提供了一系列FilterPro计算机辅助设计程序使用FILTER42程序和UAF42可以方便地设计和实现各种有源滤波器UAF42是一个单片集成电路，包含运算放大器、匹配电阻和状态变量滤波器极对所需的精密电容第四，未承诺的精密运算放大器也包括在模具上。
用UAF42实现的滤波器是时间连续的，没有开关电容滤波器的开关噪声和混叠问题状态变量拓扑的其他优点包括滤波器参数对外部分量值的低灵敏度以及同时的低通、高通和带通输出简单的两极滤波器可以用一个UAF42和两个外部电阻制成，。
与DOS兼容的程序指导您完成设计过程并自动计算组件值可以设计低通、高通、带通和带阻（或陷波）滤波器。
有源滤波器被设计为近似理想滤波器响应。例如，一个理想的低通滤波器消除高于截止频率的信号（在阻带内），并完美地传递低于截止频率的信号（在通带内）在实际滤波器中，为了近似理想而进行各种权衡。一些滤波器类型针对通带中的增益平坦度进行了优化，一些滤波器类型针对通带和停止带（在过渡带中）之间更陡的衰减速率在通带中权衡增益变化或波纹，还有一些滤波器类型同时权衡平坦度和滚降速率，以利于脉冲响应保真度FILTER42支持三种最常用的全极点滤波器类型：Butterworth、Chebyshev和Bessel也支持不太熟悉的逆切比雪夫如果选择双极带通或陷波滤波器，程序默认为谐振电路响应。
Butterworth（最大平值）。该滤波器具有最平坦的通带幅度响应设计截止频率处的衰减为-3dB超过截止频率的衰减是一个中等陡峭的-20dB/十年/极巴特沃斯滤波器的脉冲响应具有中等的过冲和振荡。
切比雪夫（等波纹量）（俄语Heby]ov的其他音译词是Tschebychev、Tschebyscheff或Tchevysheff）这种滤波器响应的初始衰减率比巴特沃斯的衰减率要快得多

奇数阶（5极）3dB纹波切比雪夫低通滤波器的响应与频率，显示在-3dB处的截止。
这种优势来自于通带中振幅变化（波纹）的惩罚与巴特沃斯和贝塞尔响应不同，切比雪夫截止频率是指响应低于波纹带的频率对于偶数阶滤波器，所有纹波都高于直流归一化通带增益响应，因此截止值为0dB对于奇数阶滤波器，所有纹波都低于直流归一化通带增益响应，因此截止值为–（纹波）dB对于给定数量的极点，可以通过允许更多的通带波纹来实现更陡的截止切比雪夫的脉冲响应比巴特沃斯更响，尤其是在高纹波设计中。
逆切比雪夫（在阻带中衰减的最小值相等）顾名思义，此过滤器类型是Chebyshev的近亲不同的是，逆切比雪夫滤波器的纹波仅限于截止带这种滤波器具有陡峭的滚降速率和平坦的通带幅度响应逆切比雪夫的截止被定义为响应首先进入指定停止带的频率，见图3逆切比雪夫方程的阶跃响应与巴特沃斯方程相似。
贝塞尔（最大平坦时间延迟），也称为汤姆逊。由于其线性相位响应，该滤波器具有良好的脉冲响应（最小的超调和振铃）对于给定数量的极点，其幅度响应没有巴特沃斯平坦，也没有巴特沃斯陡峭的超过-3dB截止频率的初始衰减率它需要一个高阶贝塞尔滤波器来给出一个类似于给定巴特沃斯滤波器的幅度响应

-60dB停止带的响应与频率，逆切比雪夫低通滤波器显示在-60dB处截止。
贝塞尔滤波器可以使增加的复杂性变得有价值。
调谐电路（共振或调谐电路响应）如果选择双极带通或带阻（陷波）滤波器，程序默认为调谐电路响应当选择带通响应时，滤波器设计近似于的串联LC电路的响应。当选择双极带阻（陷波）响应时，滤波器设计近似于的并联LC电路的响应。
电路实现
该程序设计的滤波器一般采用级联滤波器子电路实现子电路要么有一个双极（复数极对）响应，要么只有一个实极响应程序根据功能和性能自动选择所需的子电路程序选项允许您重写自动拓扑选择例程，以指定反转或非反转极对配置。
最简单的滤波电路由一个单极对子电路组成，如图5所示更复杂的滤波器由两个或多个级联子电路组成，偶数阶滤波器完全由UAF42极对部分实现，通常不需要外部电容器奇数阶滤波器还需要一个实极点部分，可以用UAF42中的第四个未承诺运放、一个外部电阻和一个外部电容来实现该程序可用于设计高达10阶的滤波器。
该程序将指导您完成滤波器设计，并生成组件值和描述滤波器电路的框图滤波器框图程序输出显示了实现按类型标记并按建议顺序连接的滤波器设计所需的子电路Filter Component Values程序输出显示实现过滤器所需的所有外部组件的值。

由两个或多个子电路构成的多级滤波器。
该程序自动将较低的Q级置于较高的Q级之前，以防止由于增益峰值而导致运放输出饱和即使如此，峰值可能会将输入电压限制在±10V以下（VS=±15V）在滤波器方框图上显示了每个滤波器设计的最大输入电压。如果UAF42将在减少的电源上运行，则最大输入电压必须相应地降额。要使用输入电压较高的滤波器，可以添加输入衰减器。
程序设计了最简单的滤波器，该滤波器提供所需的交流传输功能，通带增益为1.0V/V。在某些情况下，程序无法制作单位主滤波器，通带增益将小于1.0V/V。在任何情况下，滤波器的总增益都显示在滤波器框图上如果需要不同的增益，可以根据需要为增益或衰减添加额外的级。
要构建过滤器，请打印出框图和组件值一次考虑一个子电路将部件打印件上引用的子电路类型与其对应的电路图相匹配请参阅本公告的“过滤子电路”部分。
打印出的UAF42过滤器组件值可以显示任何子电路所需的每个可能的外部组件并非所有这些组件都需要任何特定的过滤器设计如果没有显示组件的值，则忽略该组件例如，复杂极对子电路的详细示意图显示了与UAF42中的1000pF电容器并联的外部电容器对于大约10Hz以上的滤波器，不需要外部电容器。
子电路实现后，按照过滤器框图所示的顺序将其串联。
过滤子电路
滤波器设计包括级联复极对和实极子电路复杂极对子电路基于UAF42状态变量滤波器拓扑这个电路可以使用六种变体，PP1到PP6实极截面可以在UAF42中用辅助运算放大器来实现。可使用高通（HP）和低通（LP）实极截面子电路在UAF42滤波器组件值和滤波器框图程序输出上以两个或三个字母的缩写引用。
各子电路说明如下：
极对（PP）子电路
一般来说，所有复杂的极对子电路都使用状态变量配置中的UAF42极点对必须设置的两个滤波器参数是滤波器Q和固有频率fO外部电阻用于设置这些参数必须使用两个电阻器RF1和RF2来设置极对fO通常需要第三个外部电阻RQ来设置Q。
在低频时，频率设置电阻器所需的值可能过大电阻值高于约5MΩ会与寄生电容发生反应，导致滤波器性能差当fO低于10Hz时，必须增加外部电容器，使RF1和RF2的值保持在5MΩ以下当fO在大约10Hz到32Hz的范围内时，与内部电阻R2将RF1和RF2降低√10，并消除对外部电容器的需求在另一个极端，当fO高于10kHz时，R2A与R2并联以提高稳定性。
当使用反向极对配置或使用Q<0.57的非反向配置时，始终需要外部滤波器增益设置电阻器RG。
第1页（使用内部增益电阻器R3的非垂直极对子电路）-在自动拓扑选择模式下，此配置用于所有带通滤波器响应此配置允许单位通带增益和高Q（高达400）的组合由于不需要外部增益设置电阻器，因此外部部件计数最小化。
第2页（使用外部增益设置电阻器的非垂直极对子电路，RG）-当极对Q小于0.57时使用此配置。
第3页（反向极对子电路）-。在自动拓扑选择模式下，此配置用于全极低通和高通滤波器响应这种配置需要一个外部增益设置电阻器RG当RG=50kΩ时，低通和高通增益是统一的。
第4页（非垂直极对/零子电路）-除了一个复极点对之外，这种配置通过在UAF42中使用辅助运算放大器A4求低通和高通输出而产生Jω-轴零（响应空）。在自动拓扑选择模式下，当Q>0.57时，此配置用于所有带阻（陷波）滤波器响应和逆切比雪夫滤波器类型此子电路选项通过使用内部增益设置电阻器R3保持外部部件计数低。
第5页（非垂直极对/零子电路）-除了一个复极点对之外，这种配置通过在UAF42中使用辅助运算放大器A4求低通和高通输出而产生Jω-轴零（响应空）。在自动拓扑选择模式下，当Q<0.57此子电路选项需要一个外部增益设置电阻器RG。
（反向极对/零子电路）-除了一个复极点对之外，该配置通过在UAF42中使用辅助运算放大器A4求和低通和高通输出而产生Jω-轴零（响应null）。此子电路仅在覆盖自动拓扑选择算法并指定反转极对拓扑时使用然后将其用于所有带阻（陷波）滤波器响应和逆切比雪夫滤波器类型。

使用内部增益设置电阻器R3的PP1非垂直极对子电路

使用外部增益设置电阻器RG的PP2非垂直极对子电路。

此处提供的信息被认为是可靠的；但是，BURR-BROWN不对不准确或遗漏承担任何责任BURR-BROWN对本信息的使用不承担任何责任，所有此类信息的使用应完全由用户自行承担风险价格和规格如有变动，恕不另行通知本协议所述任何电路的专利权或许可证均未默示或授予任何第三方BURR-BROWN不授权或保证在生命支持设备和/或系统中使用任何BURR-BROWN产品。
PP6逆变极对/零子电路。
此子电路选项需要一个外部增益设置电阻器RG。
有限合伙人（实际极低通子电路）基本低通子电路（LP）。单极由RP和CP构成。A2缓冲输出以防止后续阶段的负载如果需要高输入阻抗，可以在输入端添加可选缓冲器A1。
惠普（实极高通子电路）基本高通子电路（HP）。单极由RP和CP构成。A2缓冲输出以防止后续阶段的负载如果需要高输入阻抗，可以在输入端添加可选缓冲器A1。
如果不使用UAF42中的辅助运算放大器

如果未使用UAF42中的辅助运算放大器，则将其连接为接地单位增益跟随器，如图15所示。这将使其输入和输出保持在线性工作区域，以防止可能影响UAF42中其他运算放大器的偏置异常。
奇数阶逆切比雪夫低通滤波器中LP子电路的消除
奇数阶逆切比雪夫低通滤波器可以通过消除LP输入部分并在第一极点对/零子电路中形成实极点来简化为了在极对/零子电路中形成实际极，将电容器C1与加法放大器反馈电阻器RZ3并联放置实际磁极的频率必须与低压子电路中的相同实现这一点的一种方法是设置C1=CP和RZ3=RP，其中CP和RP是为LP部分指定的值然后，为了保持加法放大器的增益相同，将RZ1和RZ2乘以RP/RZ3。
修改三极电路的示例它是一个347Hz截止逆切比雪夫低通滤波器此示例来自一个应用程序，该应用程序需要一个带陷波的低通滤波器，用于400Hz系统电源噪声将截止频率设置为347Hz会产生400Hz的缺口标准滤波器由两个子电路组成，一个LP段，后面跟着一个PP4段。
在简化配置，求和放大器反馈电阻器RZ3从10kΩ变为130kΩ，并与0.01μF电容器并联注意，这些值LP部分中用于RP和CP的值相同。要设置正确的求和放大器增益，电阻RZ1和RZ2乘以RP/RZ3（130kΩ/10kΩ）RZ1和RZ2必须大于2kΩ，以防止运算放大器输出过载如有必要，通过降低CP来增加RZ1、RZ2和RZ3。

Q增强
当磁极对截面所需的fO•Q乘积在≈3kHz以上的频率下大于≈100kHz时，运放增益和宽度限制会导致Q误差和增益峰值为了减轻这种影响，程序根据Q补偿算法（1）通过减小设计Q来自动补偿期望的误差出现这种情况时，打印出来的UAF42过滤器组件值的Q标题下的值将用星号标记，表明它是理论Q，而不是实际设计Q。实际设计Q将显示在标签为QCOMP的附加标题下。
使用FilterPro程序
对于每个数据条目，程序自动计算过滤器性能这允许您使用“假设”电子表格类型的设计方法例如，您可以通过反复试验快速确定所需的滚转所需的极数。
入门
第一次使用程序时，您可能需要遵循以下建议的步骤。
键入以启动程序。过滤器42<ENTER>
使用箭头键将光标移动到筛选器响应部分。
1）选择过滤器响应
按下可切换四个响应选项：<输入>
缺口（带阻）
当所需的响应出现时，将光标移到Filter Type部分。
2）选择过滤器类型
将光标移动到所需的过滤器类型并按选定的筛选器类型将亮显并用星号标记有四种过滤器类型可供选择：
如果选择Chebyshev，则还必须输入ripple（即，通带ripple请参阅Chebyshev滤波器说明）。
如果选择逆切比雪夫滤波器，则还必须输入AMI（即，停止带中的最小衰减或最大增益，请参阅逆切比雪夫滤波器描述）。
3）输入过滤顺序
将光标移到“参数”部分的“筛选顺序”行输入过滤顺序n。
4A）输入滤波器频率
将光标移到“参数”部分的“滤波器频率”行。
低通/高通滤波器：输入f–3dB或截止频率。
带通滤波器：输入中心频率，fCENTER。
带阻（陷波）滤波器：输入陷波频率fNOTCH。
如果您的过滤器是低通或高通，请转至步骤5。
4B）输入滤波器带宽
如果滤波器是带通或带阻（陷波），请将光标移到带宽行并输入带宽。
如果在带宽线上按但没有输入，则可以输入fL和fH而不是带宽fL和fH是关于巴特沃斯和贝塞尔滤波器中心频率的f–3dB点它们是切比雪夫型波纹带的末端这种进入方法可能迫使中心频率或缺口频率发生变化。<输入>
5）打印组件值
按功能键打印出过滤器组件值和过滤器框图按照本公告过滤器实现部分中的说明组装工作过滤器。
绘图功能允许您查看滤波器增益和相位与频率的图形结果此功能对于比较筛选器类型非常有用。
在查看图形显示时，还可以使用箭头键移动光标，查看打印的过滤器响应的增益和相位。
电阻值
每输入一个数据，程序就会自动计算电阻值如果需要外部电容器，程序将选择标准电容器值，并计算所选滤波器的准确电阻值显示菜单中的1%电阻选项可用于计算-
（1）L.P.Huelsman和P.E.Allen，《有源滤波器的理论与设计》，
延迟最接近的标准1%电阻值，而不是精确的电阻值要使用此功能，请将光标移到“过滤器响应”部分中的“电阻”行，然后按

电容器选择
高于10Hz的偶数阶滤波器通常不需要外部电容器奇数阶滤波器需要一个外部电容器来设置低压或高压段的实际极点电容器的选择是高性能滤波器的关键电容器的性能与理想值相差很大，引入串联电阻和电感，限制了Q值的大小，同时电容与电压的非线性也会导致失真UAF42中的1000pF电容器是高性能类型的激光电容器，其功率削减至0.5%。
如果需要外部电容器，推荐的电容器类型为：NPO陶瓷、银云母、金属化聚碳酸酯；温度高达85°C时，推荐使用聚丙烯或聚苯乙烯应避免使用具有高介电常数的普通陶瓷电容器，例如“高K”型电容器——它们可能会导致滤波电路中的错误。
运算放大器选择
通常，您可以使用UAF42中未提交的第四运放来实现任何必要的LP、HP或增益级如果你必须使用额外的运算放大器，重要的是选择一个运算放大器，可以提供必要的直流精度，噪音，失真和速度。
运算放大器转换率
运算放大器的转换速率必须大于，VOPP，带宽，以获得足够的满功率响应例如，在100kHz、20Vp-p输出下工作需要至少6.3V/微秒的运算放大器转换速率。Burr Brown提供了可用于高性能有源滤波器部分的优秀运算放大器选择上面的指南列出了一些好的选择。
运算放大器带宽
根据经验，在低通和带通应用中，运算放大器带宽应至少为50，GAIN，fO，其中GAIN=运算放大器配置的噪声增益，fO=滤波器f–3dB或fCENTER频率。
在高通和带阻（陷波）应用中，所需的运放带宽取决于感兴趣的较高频率与大多数有源滤波器一样，用UAF42设计的高通滤波器转变为带通滤波器，其上滚降由运放带宽决定运算放大器滚降引起的误差可计算如下：
测量的UAF42滤波器响应示例
用该程序设计并用UAF42s实现的5阶5kHz巴特沃斯、3dB切比雪夫、–60dB逆切比雪夫和贝塞尔低通滤波器的实际测量震级响应图。可以看出，切比雪夫滤波器的初始滚降最快，贝塞尔滤波器的滚降最慢。然而，5阶全极点滤波器中的每一个最终以-N，20dB/decade滚动，其中N是滤波器阶数（5阶滤波器为-100dB/decade）。
示波器照片每个滤波器的阶跃响应正如预期的那样，切比雪夫滤波器的振铃次数最多，而贝塞尔滤波器的振铃次数最少。