如何加快和改進濾波器設計的解決方法

仿真已成為設計過程中必不可少的階段，因為它允許工程師在原型設計之前評估和驗證電路行為，防止設計缺陷在設計鏈中級聯，并幫助設計人員在虛擬環境中無風險地提高電路性能。

還有什么比讓電路板車間踢回一個錯誤百出的設計更令人沮喪的嗎？如今，許多設計師都面臨著在幾周（如果不是幾天）內生產原型的壓力，而且設計迭代的余地有限。幸運的是，最新的設計工具通過提供整體直觀的電路設計和驗證方法提高了生產率。

許多半導體制造商提供工具，以幫助在初始規格階段設計穩健的系統模塊。例如，ADI公司（ADI）提供在線濾波器設計工具（參見參考文獻1），可指導用戶完成有源濾波器合成過程，并根據這些規格選擇推薦的運算放大器。然后，該工具生成最終設計拓撲，以及物料清單和SPICE網表。在原型制作之前的各個階段，仿真環境（例如NI的仿真環境）使用指定零件的宏模型提供進一步的優化和驗證（參見參考文獻2）。

在本文中，我們將探討這種整體方法如何加快和改進濾波器設計中通常令人生畏的任務，濾波器設計是一系列電子應用中的常見構建模塊。但首先，一些背景。

SIM卡基礎知識

最流行的模擬電路仿真工具是SPICE，它代表以集成電路為重點的仿真程序。SPICE的歷史可以追溯到1960年代后期，當時它是在加州大學伯克利分校開發的。SPICE發展成為模擬電路仿真的行業標準，并且仍然是世界上使用最廣泛的電路仿真器。多年來，增加了更多的仿真算法、組件模型和擴展。例如，在佐治亞理工學院開發的XSPICE允許對組件進行行為建模，以加快混合模式和數字仿真的速度。NI 多 SIM 卡?環境支持SPICE 3F5和XSPICE模擬。

但是，設計師為什么要為仿真而煩惱呢？仿真已成為設計過程中必不可少的階段，因為它允許工程師在原型設計之前評估和驗證電路行為。仿真可防止設計缺陷通過設計鏈級聯到制造電路板，在制造電路板中，重新設計的成本呈指數級增長。此外，通過探索一系列假設場景，設計人員可以在虛擬環境中無風險地提高電路的性能。

使用電路仿真器的主要好處之一是能夠仿真模擬真實、可訂購零件的宏模型?，F代SPICE模擬器也越來越多地采用圖形化的方法來處理傳統上基于文本的過程。例如， NI Multisim 集成了 17，500 多個 組 件， 其中 許多 宏 模型 來自 領先 半導體 制造 商;捕獲電路時會自動生成基于文本的 SPICE 網表，示波器或函數發生器等交互式測量儀器具有模擬真實臺式對應物的顯示和功能。借助這些圖形擴展，設計人員不再需要具備 SPICE 語法方面的專業知識即可充分利用仿真的優勢。

仿真和濾波器設計

濾波器無處不在——從超聲設備到起搏器，在這些地方，只有特定范圍的頻率才能通過至關重要。然而，雖然濾波器是電子應用中無處不在的構建塊，但濾波器設計卻鮮為人知，而且往往很痛苦。是什么讓它如此復雜？通常，系統設計人員并不十分了解特定性能所需的濾波器階數，因為其優勢不是模擬電路設計。

濾波器類型（例如，巴特沃斯、切比雪夫和橢圓）有許多變體，它們針對各種規格進行了優化，例如單調紋波或過渡區域寬度。濾波器設計還涉及編寫復雜的數學方程，用于識別改變濾波器形狀的極點/零點位置（參見參考文獻3）。另一個問題是，在理論計算中假設的完美分量不存在;例如，電阻器的制造容差會影響預期的電路行為。

濾波器向導等設計工具可幫助設計人員了解不同拓撲之間的差異，并建議在設計中使用的零件，從而大大簡化了這項復雜的任務，而無需復雜的數學運算。圖形環境使設計人員能夠觀察其電路在各種元件容差范圍內的工作方式。

驗證巴特沃茲濾波器的設計

在我們的示例中，我們驗證了有源濾波器的設計。該濾波器采用ADI濾波器向導設計，集成了雙通道精密運算放大器ADA4000-2，該運算放大器因其快速壓擺率和容性負載穩定性而被選中，非常適合濾波器設計。該運算放大器的皮安偏置電流允許使用高阻值電阻來構建低頻濾波器，而無需擔心增加直流誤差。此外，用于R1的高值最大限度地減少了與信號源電阻的相互作用。通過級聯更多塊可以實現更高階濾波器;然而，對分量值的敏感性以及分量之間相互作用對頻率響應的影響急劇增加，使得這些選擇的吸引力降低。信號相位通過濾波器保持（同相配置）。

在NI Multisim中捕獲濾波器，用于驗證和進一步分析（見圖1）。這款低通四階巴特沃茲濾波器采用20 kHz截止頻率和Sallen-Key實現設計，因為它易于設計，具有最大的平坦頻率響應和最小的元件要求。巴特沃茲濾波器在通帶和阻帶上是單調的，并且具有最佳的通帶紋波和寬過渡區域（即通帶和阻帶之間的區域）。它們經常用作數據采集系統中的抗混疊濾波器。EVAL-FLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ濾波板采用兩極點版本的Sallen-Key濾波器拓撲，可從ADI訂購。該板的應用筆記為AN-0991。

圖1.20 kHz 巴特沃茲 濾波器 采用 NI 多 SIM 程序

在設計濾波器時，必須同時考慮電路的頻域和時域響應。我們 來 研究 如何 使用 NI Multisim 來 驗證 這些 特性。

驗證頻率響應

圖 2 顯示了交流分析的結果。仿真結果表明，截止頻率（增益下降3 dB時的頻率）為20.1 kHz，與我們設定的20 kHz規格非常接近。我們可以看到，超過這個轉折頻率，增益以每十倍頻程80 dB下降（濾波器傳遞函數中每個極點的?20dB/dec或?6dB/oct）。

圖2.巴特沃茲濾波器的頻率響應

我們還觀察到，阻帶不會像我們對理想濾波器所期望的那樣持續減小;由于運算放大器電壓增益的損耗，增益在大約1 MHz時開始增加。使用光標，我們估計該阻帶約為700 kHz。

驗證時域響應

我們可以使用Multisim中提供的測量儀器來研究階躍響應。函數發生器允許我們輸入激勵，示波器允許我們直接在原理圖環境中觀察輸出波形。這些測量儀器模仿其臺式對應物;例如，使用示波器，可以根據波形特性調整時基和分壓等參數。使用測量儀器，我們還可以實時更改設置，例如函數發生器設置的頻率，這使我們能夠看到信號在超過 20 kHz 點的頻率下衰減了多少。

我們可以使用示波器測量上升時間和建立時間等特性，如圖3所示;但是，我們也可以在 Grapher 中查看這些數據，該選項允許我們注釋和打印圖表以進行記錄。

圖3.使用虛擬儀器研究時域響應

我們研究的第一個特征是上升時間（定義為從其最終輸出值的10%到90%的時間）;使用光標，我們確定這是19.3 μs。我們還看到建立時間約為92 μs。這些特性在圖 4 所示的圖表上進行了注釋。（請注意，參數 TMAX 會影響上升時間，并且出于此示例的目的已從默認值更改。

圖4.使用繪圖器記錄時域特征

考慮最壞情況

仿真的另一個核心優勢是能夠考慮非理想組件值（即公差）。在本節中，我們執行蒙特卡羅分析，該分析使用我們在原理圖中定義的 5% 元件公差范圍內的元件值排列運行多個交流分析;這使我們能夠看到在最壞的情況下我們的截止頻率是如何受到影響的。（請注意，此分析也可以用于瞬態或直流工作點分析）。

假設條件理想，第一次運行是標稱運行。我們的分析輸出迭代了電路的200種排列，如圖5所示。觀察到第 171 次運行（底部跡線）和第二次運行（底部跡線）定義了截止頻率分別為 20.67 kHz 和 19.02 kHz 的最壞情況。截止頻率的這種偏差使得該濾波器設計對元件方差的敏感性較低。

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圖5.蒙特卡羅模擬結果

正如我們所看到的，有些測量比其他測量需要更多的后處理。例如，計算上升時間等任務如果重復完成，可能會變得乏味。幸運的是，也有可以解決這個問題的工具。NI LabVIEW?是一種圖形編程語言，允許我們創建自定義界面，用于在Multisim中可視化和分析測量值。該儀器根據濾波器設計的輸入和輸出波形自動計算濾波器設計的上升時間、斜率、過沖和下沖。通過 創建 自 定義 儀器， 設計 人員 可以 自動 顯示 傳統 上 需要 手動 后 處理 的 特性 的 準確 值。定制 儀器 可 用于 廣泛 的 應用， 包括 將 真實 采集 的 測量 結果 導入 到 NI Multisim 中， 這些 測量 值 結合 了 真實 世界 的 影響， 如 噪聲， 從而 實現 更高 的 仿真 精度。

結論

今天的系統設計人員不能使用未經驗證的想法來運行。借助ADI濾波 向導、 已經構建和驗證的電路和NI Multisim等現代設計工具， 他們 就不必這樣做。工程師可以在原型設計階段之前很久就驗證和改進電路行為，從而大大提高設計效率。其結果是減少了成本高昂的重新設計，縮短了上市時間，并提高了設計性能。

審核編輯：郭婷