通用有源濾波器UAF42的CAD軟件-FILTER42

摘要：UAF42是美國B-B公司生產(chǎn)的通用有源濾波器，通過它可方便地設計了低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。另外，B-B公司還為UAF42專門提供了一個CAD軟件FILTER42來對UAF42進行濾波器設計。文中介紹了UAF42的內(nèi)部結構和原理，并重點給出了利用FILTER42軟件設計各種濾波器參數(shù)的方法。

關鍵詞：通用有源濾波器 軟件設計 UAF42 FILTER42

1 概述

對輸入信號中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網(wǎng)絡稱之為濾波器。濾波器可廣泛應用于通信、自動控制、計算和測量技術等領域。有關濾波器的理論和設計日趨完善。隨著新型元器件的使用和設計思想的更新，濾波器的發(fā)展也日新別異。迄今為止，按元器件分類，濾波器可以分為無源LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、RC有源濾波器和開關電容濾波器等。這些濾波器有各自的優(yōu)點和應用范圍，可使用于不同濾段和Q值范圍。由電阻、電容和有源器件——運算放大器構成的濾波器稱之為RC有源濾波器。這是隨著高增益運算放大器問世而迅速發(fā)展起來的一種濾波器，由于其集成運放開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又低，因而構成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應用相當廣泛。測量儀器中的濾波器幾乎全部采用RC有源濾波器。隨著微電子學的發(fā)展，又出現(xiàn)了把一些電阻和電容與運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)集成了設計濾波器所需的電阻和電容，在應用中只要極少數(shù)外部器件就可以很方便地構成一個有源濾波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是這一類通用有濾波器的代表。它可廣泛應用于高通、低通和帶通濾波器設計中。UAF42采用典型的狀態(tài)可調（state-variable）模擬結構，內(nèi)部集成了一個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計中的低損耗（low-loss）電容問題。

2 通用有源濾波器UAF42

UAF42的內(nèi)部結構框圖如圖1所示。

從圖中可以看出，UAF42的狀態(tài)可調（State-variable）結構使得它的應用十分方便。它有三個輸出引腳，這些引腳的輸出是把輸入信號經(jīng)過低通、帶通和高通濾波后的信號。此外，UAF42片內(nèi)還集成了一個輔助運放，該運放可作為通用的運放，也可以將UAF42的低通、高通和帶通等輸出信號進行信號處理。N階濾波器傳遞函數(shù)的一般式為：

式中的m應小于或等于n。需要說明的是：直接實現(xiàn)三階以上傳遞函數(shù)的電路設計是很困難的。通常需要將高階傳遞函數(shù)分解為若干個低階（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個可實現(xiàn)的低階傳遞函數(shù)電路基本節(jié)（或稱之為基本積木塊）級聯(lián)起來就構成了N階濾波器。由于采用的是運放構成的低階基本電路，因而其輸出阻抗很低，可以不考慮級聯(lián)時的負載效應，這樣就保證了各基本節(jié)傳遞函數(shù)設計的獨立性。具體過程如圖2所示。

在實際工程中，設計人員可根據(jù)對濾波器的通帶、阻帶或過濾帶的頻率范圍及通帶增益和衰減特性要求，設計其某種類型的n階傳遞函數(shù)。然后將n階傳遞函數(shù)分爭為若干個低階級聯(lián)形式，即將其劃分成若干個一階、二階傳遞函數(shù)基本節(jié)。最后再按各個低階傳遞函數(shù)的設計要求來設計和計算有源濾波器電路基本節(jié)。這一過程包括設計和計算相應的元件參數(shù)值、根據(jù)設計和計算結構選擇相應的元件參數(shù)值和運算放大器、組成各個低階濾波器的電路，并將它們級聯(lián)起來進行相應的調整和性能測試等工作。在上述的有源濾波器設計過程中，可以看出當濾波器電路劃分為幾個電路級聯(lián)后，基本節(jié)電路的設計就成為有源濾波器設計的關鍵。其基本節(jié)電路一般為一階或二階電路，一階電路較為簡單，對二階電路來說，可由R、C和運放所構成的電路來實現(xiàn)，彩 UAF42則更方便。因而如果設計人員自己用運放的R、C構成的二階電路，則電路中各個元件參數(shù)的計算這一過程比較煩瑣，而采用UAF42則可以利用廠家提供的一些技術支持來減輕設計人員的工作量，一般來說這些支持包括DEMO板和一些軟件等。對UAF42來說，由BB公司提供的一個CAD軟件-FILTER42來進行，該軟件簡化了基于UFA42的設計。設計人員只要根據(jù)基本節(jié)電路的要求將參數(shù)輸入到FILTER42中，該軟件就可以計算出相應的元件值，并且可以仿真濾波器的輸出效果。

3 濾波器設計軟件FILTER42

利用計算機將FILTER42軟件打開并進入界面后，就可以使用（=enter>For More Option）光標和ENTER鍵來進行一系列設計操作了。

3.1 濾波器頻帶響應（Desired Response）

FILTER42軟件界面上的Desired Response選項可用來確定UAF42構成的濾波器的種類。使用圖中光標指向Desired Response選項，ENTER（回車鍵）后即可提供四個選項：低通、高通、帶和帶阻。設計人員可根據(jù)設計要求的不同選中不同類型的濾波器。

3.2 濾波器的類型（Filter Type）

濾波器類型（Filter Type）選項可使設計人員選擇采用何種濾波器來實現(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型，它們分別是Butterworth(巴特沃斯濾波器)、Chebyshev(切比雪夫濾波器)、Bessel（貝塞爾濾波器）和Inv Chebyshev(反切比雪夫濾波器)。

模擬濾波器的設計可幫助設計人員尋找一個合適的有理函數(shù)來滿足對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型：第一種類型是最平幅度近似模式。這種類型是在近似范圍內(nèi)，它的幅頻特性將隨頻率呈現(xiàn)單調變化的一種頻響特性。 這一類型濾波器的典型代表是巴特沃斯濾波器；第二種類型為等濾紋近似模式工，這種類型是在近似范圍內(nèi)，其幅頻特性呈現(xiàn)等幅波動的種頻響特性。這一類型濾波器的典型代表是切比雪夫濾波器。由于這種類型濾波器的近似方法采用的是切比雪夫多項式，因而又稱之為切比雪夫近似。

3.3 濾波器參數(shù)設置（Parameters）

假設前兩步確定了有源濾波器設計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。要設置的參數(shù)包括濾波器的階數(shù)和-3dB時的頻率。如果選定濾波階數(shù)為2，則-3dB時的頻率為1000Hz。需要說明的是：由于筆者設計的是低通濾波器，所以在FILTER42軟件界面中顯示的是“Lowpass Parameters”。如果設計選擇高通濾波器，則濾波器參數(shù)的設置項會自動地改為“Highpass Parameters”。

3.4 濾波器的其它參數(shù)（Filter response）

在這個選項中，設計人員可以進一步在界面上設定濾波器的輸出特性。在該“Filter response”選項中：Freq是頻率選項，可以由設計人員設置，Gain和Phase分別表示增益和相位。Tot UAFs表示實現(xiàn)濾波器所用的UAF的個數(shù)。電路中的電阻為±1%標準電阻。Topology包括三個選項：Inverting Noninverting和Auto。Inverting表示信號的輸入是從UAF42的反向輸入端輸入，Noninverting表示輸入信號從非反向輸入端輸入，設置成Auto后，程序將自動采用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)過上面對濾波器的各個特性的設定步驟的詳細描述之后，下面，我們就可以使用F3鍵來查看各個元件的具體設定值。

由于電路中的各個參數(shù)都有說明。因此，可以根據(jù)FILTER42輸出的結果來確定電路中各個元件的具體參數(shù)值。

3.6 仿真結果

確定了電路的各個參數(shù)值后，還必須檢驗電路是否符合設計要求，因而FILTER42提供一個電路仿真功能，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 結束語

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