在设计IoT时，它看起来很简单——只需将传感器或射频信号转换为数字，然后在那里工作。但也不是那么快:它仍然是一个模拟世界，那些模拟数字转换器(adc)的输入必须是带限制的，以防止混叠。同样，数字-模拟转换器(DACs)的输出也需要被过滤，以减少谐波和消除“峰值”。
然而，虽然市场和模拟技术的时间都越来越有限，但在过滤类型、滚出、可靠性和准确性方面的设计限制仍然存在，并且不能被破坏。
为了满足性能和设计要求，通用主动滤波器是一个很好的解决方案。这些标准的模拟过滤器模块提供了灵活的过滤器拓扑结构、快速的设计周期和有效的带宽限制来解决无数带宽限制的要求。
本文将描述主动前端过滤的需求及其典型的设计需求、约束和权衡。然后，它将引入三种通用的主动滤波器类型，它们的显著特征，以及如何恰当地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之间安装反混叠滤波器或带阻滤波器(图1)。
传感器与ADC之间的滤波图
图1:传感器与ADC之间的滤波在IoT中起到了关键的作用，防止了伪信号的混叠和消除，从而提高了信号的质量。(图片来源:凯利讯半导体电子)
过滤器必须放在传感器的ADC之前，以限制ADC输入的带宽。在传感器缓冲器后放置它，使传感器上的任何负载最小化。在此位置，滤波器能限制传感器输出，消除虚假信号。
混叠
对模拟信号进行数字化，需要以比信号中最高频率分量两倍以上的速率进行采样，以便在没有错误的情况下恢复信号。如果模拟信号的采样频率小于其最高频率的两倍，则会产生失真的频谱(图2)。
在频域的采样过程图
图2:在频域中查看采样过程，结果显示采样频率小于信号带宽的两倍，结果是由于混叠造成的频谱失真。(图片来源:凯利讯半导体电子)
取样是一种混合操作。在频域(图2的右侧)，基带信号到其带宽(fBW)被复制到采样频率和所有谐波的上、下侧带。只要采样频率大于信号带宽的两倍，基带频谱和下边带的采样频率就不会相互作用。如果采样频率减小到小于信号带宽的两倍，则基带信号和采样频率的低边带相互作用，不可挽回地扭曲了信号。
在将IoT传感器数字化的背景下，传感器的信号必须是带宽限制在采样频率的一半以下，称为Nyquist频率。这是通过滤波传感器输出信号完成的。它也可能需要额外的过滤来消除干扰信号。
过滤器类型
过滤器是一种主动或被动电路，可以从信号中消除不需要的频率成分，增强所需的信号分量，或者两者都有。过滤器在频域中是最好的描述(图3)。
四种基本过滤类型的图像是低通、高通、带通和带阻滤波器
图3:四种基本的过滤器类型是低通、高通、带通和带阻滤波器。(图片来源:凯利讯半导体电子)
低通滤波器通过频率低于其带宽(fpass)的频率传递信号，并通过比带宽更大的频率衰减信号。一旦信号频率超过滤波器带宽，它的振幅就会衰减，通常与频率成比例，直到达到最大衰减的停止带(fstop)。跨带区域滤波器衰减的变化称为通带纹波。类似地，停止带信号的变化幅度是阻带纹波。在通带的上端与下阻带极限之间的区域称为过渡区。
high - pass过滤器，顾名思义，通过频率高于低通带限制(fpass)的频率传递信号，并以较低的频率衰减信号。
一个通带滤波器在其通频带限制(fpass1和fpass2)之间传递信号频率，并通过在该范围之外的频率衰减信号。
带阻或带阻滤波器在其阻带内衰减信号，并将其传递到其通频带内。
低通滤波器被选择在ADC之前的抗混叠和在DAC之后的重建滤波器。
滤波器响应
设计人员可以从多个滤波器响应类型中选择控制通带纹波、过渡区域的斜率、阻带衰减和滤波器相响应。常见的响应类型是Bessel、Butterworth和Chebyshev(图4)。
贝塞尔、巴特沃斯和切比雪夫低通滤波器的图像
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:凯利讯半导体电子)
理想的低通滤波器可以提供无限的衰减来消除截止频率上的信号，并在截止频率下通过单位增益传递信号。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所示的三个筛选器响应具有特定的特征。巴特沃斯滤波器的振幅响应最大。这意味着在过渡区域中，它提供了在传递带中最平坦的增益响应。如果振幅准确度是最重要的问题，则可以选择该滤波器。
贝塞尔滤波器能最大限度地延迟时间延迟。这意味着它们有线性相位响应，频率和极好的瞬态响应的脉冲输入。这一极好的相位响应的代价是通频带的平整度和较慢的初始速率衰减。
切比雪夫滤波器的设计是为了在过渡区呈现更陡的滚动，但在通带中会产生更多的波纹。如果采样率接近信号带宽，它将是选择滤波器。
图4中可以很容易地观察到这些特征。
过滤器订单
过滤顺序是指滤波器设计的复杂性。这个术语涉及到在设计中，如电容器等反应元件的数量。一般来说，滤波器的顺序会影响到过渡区域的滚动的陡度，从而影响到过渡区域的宽度。一阶滤波器的每八度为6分贝，即每十年为20分贝。的n阶滤波器将会有一个转出的6×n 20×n dB / dB /八度或十年。所以一个四阶滤波器的滚出速率为每八度为24分贝或每十年为80分贝。
过滤器的顺序可以通过级联多重过滤部分增加。例如，两个二阶低通滤波器可以串联在一起产生一个四阶低通滤波器，等等。级联多重过滤器的交易是成本和规模的增加和准确性的降低。
通用有源滤波器
采用具有电阻/电容(RC)被动元件的运算放大器实现连续信号主动滤波器。几个集成电路供应商提供了通用的有源滤波器，其中包含了op - amps和关键的RC组件，以简化过滤器的设计和制造。
第一个是由德州仪器制造的UAF42AU。这个通用过滤器使用了一个典型的状态变量拓扑，它使用了三个运算放大器——两个作为集成商，一个是一个夏天。第四个，未提交的，op - amp被包含在提供设计灵活性(图5)。每个ICs提供一个双极或二阶过滤器元件，最大通频带为100 kHz。
德州仪器UAF42AU通用有源滤波器图
图5:德州仪器UAF42AU通用有源滤波器使用状态变量滤波拓扑。
UAF42AU内部的被动元件有严格的公差(0.5%)，以保证稳定和可重复的性能。
另一个由线性技术的通用主动滤波器采用了稍微不同的方法。LT1562系列包括4个独立的二阶滤波块，优化频率为10 Hz至150 kHz(图6)。
线性技术LT1562 quad通用滤波器方框图
图6:线性技术LT1562 quad universal filter的框图，显示四个二阶段。(图片来源:凯利讯半导体)
这个通用过滤器适用于需要高动态范围的应用程序，在这个范围内，多个二阶段可以级联，从而达到一个八阶过滤器。
Maxim集成提供了通用的主动过滤器，每台设备最多可有4个二阶段。MAX274包含了4个二级状态变量滤波块(图7)。MAX274提供了最大带宽为150 kHz。所有四个部分都可以级联，以创建一个8阶过滤器。
一条马克西姆综合MAX274 quad连续时间有源滤波器的单段图
图7:框图显示了马克西姆集成的MAX274 quad连续时间有源滤波器的单个部分。
所有这些通用滤波集成电路都可以配置巴特沃斯、贝塞尔或切比雪夫的反应。大多数可以被设计成任何普通的过滤器类型:低通，高通，带通，或带阻。
设计支持
所讨论的所有通用的有源滤波器组件都得到了制造商的支持，并得到了支持快速开发和生产的全套设计辅助工具。其中包括应用程序说明、过滤器设计程序、CAD和仿真模型。
该支持的一个例子是一个60 Hz陷波滤波器的设计模拟，该滤波器用于在传感器中抑制电源线串扰(图8)。
60 Hz带阻或陷波滤波器的模拟图
图8:利用制造商提供的仿真模型，基于德州仪器UAF42有源滤波器对60个Hz带阻或陷波滤波器进行了仿真。(图片来源:凯利讯半导体电子)
该设计基于德州仪器UAF42 spice模型，并提供超过30分贝的衰减在60hz。在这种情况下，德州仪器提供了模拟程序和集成电路模型。
结论
通用有源滤波器构建块ICs提供了一种快速而准确的方法来设计和构建模拟有源滤波器，从最简单的到最复杂的，快速简单的方法。它们在选择过滤类型、响应和拓扑以匹配任何应用程序需求方面提供了很大的灵活性。