通用有源濾波器UAF42的CAD軟件-FILTER42

摘要：UAF42是美國(guó)B-B公司生產(chǎn)的通用有源濾波器，通過(guò)它可方便地設(shè)計(jì)了低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。另外，B-B公司還為UAF42專(zhuān)門(mén)提供了一個(gè)CAD軟件FILTER42來(lái)對(duì)UAF42進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。文中介紹了UAF42的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，并重點(diǎn)給出了利用FILTER42軟件設(shè)計(jì)各種濾波器參數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：通用有源濾波器 軟件設(shè)計(jì) UAF42 FILTER42

1 概述

對(duì)輸入信號(hào)中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)之為濾波器。濾波器可廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、計(jì)算和測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域。有關(guān)濾波器的理論和設(shè)計(jì)日趨完善。隨著新型元器件的使用和設(shè)計(jì)思想的更新，濾波器的發(fā)展也日新別異。迄今為止，按元器件分類(lèi)，濾波器可以分為無(wú)源LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機(jī)械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、RC有源濾波器和開(kāi)關(guān)電容濾波器等。這些濾波器有各自的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可使用于不同濾段和Q值范圍。由電阻、電容和有源器件——運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波器稱(chēng)之為RC有源濾波器。這是隨著高增益運(yùn)算放大器問(wèn)世而迅速發(fā)展起來(lái)的一種濾波器，由于其集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又低，因而構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。測(cè)量?jī)x器中的濾波器幾乎全部采用RC有源濾波器。隨著微電子學(xué)的發(fā)展，又出現(xiàn)了把一些電阻和電容與運(yùn)放集成在一塊芯片上的通用有源濾波器（Universal Active Filter,UAF）。這種芯片集成度高，片內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻和電容，在應(yīng)用中只要極少數(shù)外部器件就可以很方便地構(gòu)成一個(gè)有源濾波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是這一類(lèi)通用有濾波器的代表。它可廣泛應(yīng)用于高通、低通和帶通濾波器設(shè)計(jì)中。UAF42采用典型的狀態(tài)可調(diào)（state-variable）模擬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成了一個(gè)反向放大器和兩分器。該積分器包括1000μF(為5%)的電容，因此較好的解決有源濾波器設(shè)計(jì)中的低損耗（low-loss）電容問(wèn)題。

2 通用有源濾波器UAF42

UAF42的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

從圖中可以看出，UAF42的狀態(tài)可調(diào)（State-variable）結(jié)構(gòu)使得它的應(yīng)用十分方便。它有三個(gè)輸出引腳，這些引腳的輸出是把輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)低通、帶通和高通濾波后的信號(hào)。此外，UAF42片內(nèi)還集成了一個(gè)輔助運(yùn)放，該運(yùn)放可作為通用的運(yùn)放，也可以將UAF42的低通、高通和帶通等輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。N階濾波器傳遞函數(shù)的一般式為：

式中的m應(yīng)小于或等于n。需要說(shuō)明的是：直接實(shí)現(xiàn)三階以上傳遞函數(shù)的電路設(shè)計(jì)是很困難的。通常需要將高階傳遞函數(shù)分解為若干個(gè)低階（一階、二階、最多三階）傳遞函數(shù)的乘積形式，如：

Gn(S)=[B1(s)B2(s)…Bk(s)]/[A1(s)A2(s)…Ak(s)]=G1(s)G2(B)…Gk(s)

將K個(gè)可實(shí)現(xiàn)的低階傳遞函數(shù)電路基本節(jié)（或稱(chēng)之為基本積木塊）級(jí)聯(lián)起來(lái)就構(gòu)成了N階濾波器。由于采用的是運(yùn)放構(gòu)成的低階基本電路，因而其輸出阻抗很低，可以不考慮級(jí)聯(lián)時(shí)的負(fù)載效應(yīng)，這樣就保證了各基本節(jié)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的獨(dú)立性。具體過(guò)程如圖2所示。

在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)對(duì)濾波器的通帶、阻帶或過(guò)濾帶的頻率范圍及通帶增益和衰減特性要求，設(shè)計(jì)其某種類(lèi)型的n階傳遞函數(shù)。然后將n階傳遞函數(shù)分爭(zhēng)為若干個(gè)低階級(jí)聯(lián)形式，即將其劃分成若干個(gè)一階、二階傳遞函數(shù)基本節(jié)。最后再按各個(gè)低階傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)計(jì)和計(jì)算有源濾波器電路基本節(jié)。這一過(guò)程包括設(shè)計(jì)和計(jì)算相應(yīng)的元件參數(shù)值、根據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的元件參數(shù)值和運(yùn)算放大器、組成各個(gè)低階濾波器的電路，并將它們級(jí)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和性能測(cè)試等工作。在上述的有源濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以看出當(dāng)濾波器電路劃分為幾個(gè)電路級(jí)聯(lián)后，基本節(jié)電路的設(shè)計(jì)就成為有源濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其基本節(jié)電路一般為一階或二階電路，一階電路較為簡(jiǎn)單，對(duì)二階電路來(lái)說(shuō)，可由R、C和運(yùn)放所構(gòu)成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，彩 UAF42則更方便。因而如果設(shè)計(jì)人員自己用運(yùn)放的R、C構(gòu)成的二階電路，則電路中各個(gè)元件參數(shù)的計(jì)算這一過(guò)程比較煩瑣，而采用UAF42則可以利用廠家提供的一些技術(shù)支持來(lái)減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，一般來(lái)說(shuō)這些支持包括DEMO板和一些軟件等。對(duì)UAF42來(lái)說(shuō)，由BB公司提供的一個(gè)CAD軟件-FILTER42來(lái)進(jìn)行，該軟件簡(jiǎn)化了基于UFA42的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員只要根據(jù)基本節(jié)電路的要求將參數(shù)輸入到FILTER42中，該軟件就可以計(jì)算出相應(yīng)的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。

3 濾波器設(shè)計(jì)軟件FILTER42

利用計(jì)算機(jī)將FILTER42軟件打開(kāi)并進(jìn)入界面后，就可以使用（=enter>For More Option）光標(biāo)和ENTER鍵來(lái)進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)操作了。

3.1 濾波器頻帶響應(yīng)（Desired Response）

FILTER42軟件界面上的Desired Response選項(xiàng)可用來(lái)確定UAF42構(gòu)成的濾波器的種類(lèi)。使用圖中光標(biāo)指向Desired Response選項(xiàng)，ENTER（回車(chē)鍵）后即可提供四個(gè)選項(xiàng)：低通、高通、帶和帶阻。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同選中不同類(lèi)型的濾波器。

3.2 濾波器的類(lèi)型（Filter Type）

濾波器類(lèi)型（Filter Type）選項(xiàng)可使設(shè)計(jì)人員選擇采用何種濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等濾波器功能。FILTER42軟件提供了四種濾波器類(lèi)型，它們分別是Butterworth(巴特沃斯濾波器)、Chebyshev(切比雪夫?yàn)V波器)、Bessel（貝塞爾濾波器）和Inv Chebyshev(反切比雪夫?yàn)V波器)。

模擬濾波器的設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)人員尋找一個(gè)合適的有理函數(shù)來(lái)滿(mǎn)足對(duì)濾濾器幅頻特性提出的要求。有幅度近似這一方面可以分為兩種類(lèi)型：第一種類(lèi)型是最平幅度近似模式。這種類(lèi)型是在近似范圍內(nèi)，它的幅頻特性將隨頻率呈現(xiàn)單調(diào)變化的一種頻響特性。 這一類(lèi)型濾波器的典型代表是巴特沃斯濾波器；第二種類(lèi)型為等濾紋近似模式工，這種類(lèi)型是在近似范圍內(nèi)，其幅頻特性呈現(xiàn)等幅波動(dòng)的種頻響特性。這一類(lèi)型濾波器的典型代表是切比雪夫?yàn)V波器。由于這種類(lèi)型濾波器的近似方法采用的是切比雪夫多項(xiàng)式，因而又稱(chēng)之為切比雪夫近似。

3.3 濾波器參數(shù)設(shè)置（Parameters）

假設(shè)前兩步確定了有源濾波器設(shè)計(jì)為采用巴特沃斯的低通濾波器。則下一步便是確定低通波器的一些參數(shù)值。要設(shè)置的參數(shù)包括濾波器的階數(shù)和-3dB時(shí)的頻率。如果選定濾波階數(shù)為2，則-3dB時(shí)的頻率為1000Hz。需要說(shuō)明的是：由于筆者設(shè)計(jì)的是低通濾波器，所以在FILTER42軟件界面中顯示的是“Lowpass Parameters”。如果設(shè)計(jì)選擇高通濾波器，則濾波器參數(shù)的設(shè)置項(xiàng)會(huì)自動(dòng)地改為“Highpass Parameters”。

3.4 濾波器的其它參數(shù)（Filter response）

在這個(gè)選項(xiàng)中，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步在界面上設(shè)定濾波器的輸出特性。在該“Filter response”選項(xiàng)中：Freq是頻率選項(xiàng)，可以由設(shè)計(jì)人員設(shè)置，Gain和Phase分別表示增益和相位。Tot UAFs表示實(shí)現(xiàn)濾波器所用的UAF的個(gè)數(shù)。電路中的電阻為±1%標(biāo)準(zhǔn)電阻。Topology包括三個(gè)選項(xiàng)：Inverting Noninverting和Auto。Inverting表示信號(hào)的輸入是從UAF42的反向輸入端輸入，Noninverting表示輸入信號(hào)從非反向輸入端輸入，設(shè)置成Auto后，程序?qū)⒆詣?dòng)采用Inverting和Noniverting中使用外部元件較少的一種方案。

3.5 元件值（Componert Value）

經(jīng)過(guò)上面對(duì)濾波器的各個(gè)特性的設(shè)定步驟的詳細(xì)描述之后，下面，我們就可以使用F3鍵來(lái)查看各個(gè)元件的具體設(shè)定值。

由于電路中的各個(gè)參數(shù)都有說(shuō)明。因此，可以根據(jù)FILTER42輸出的結(jié)果來(lái)確定電路中各個(gè)元件的具體參數(shù)值。

3.6 仿真結(jié)果

確定了電路的各個(gè)參數(shù)值后，還必須檢驗(yàn)電路是否符合設(shè)計(jì)要求，因而FILTER42提供一個(gè)電路仿真功能，按下F2鍵，就可以輸出在這些電路參數(shù)下濾波器的幅頻特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

BB公司的通用有源濾波器UAF42本身具有集成度高、可靠性高和設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)。利用生產(chǎn)廠家提供的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件還可以提高UAF42有源濾波器的設(shè)計(jì)效率，因而必將使UAF42得到更廣泛的應(yīng)用。