无源滤波器设计变得简单

文章：Kendall Castor-Perry

“鲑鱼在kipper钱上的味道，这就是你拥有的！”，我的奶奶曾经对我说。我不确定这是真的，因为在那些日子里，我并不像三文鱼。但她正在制作维多利亚人（是的，她是那个旧的）你需要符合您对资源的期望。在我看来，像世界一样，今天可以做更多的信息 - 但这不是道德故事，这是一个过滤的故事，所以让我们迅速前进。

这句话是在我的工作生活中成为一个护身符，每次有人从信号路径的表现中想要地球，但只是准备花污垢来获得它。我会赌注你也知道问题，也是被要求提供看似不可能的绩效和预算结合的人，或者作为已经要求的人。

今天的故事是关于这些案件中的一个，有一些细节调整以保护无辜者（哦，和客户......）。系统需要一些过滤器，客户中有一点点规格，加上 - 更有用 - 对系统应该做的事情进行了良好的描述。我们正在在超声波区域中使用各种中心频率讨论带通滤波器，所有但蝙蝠和旧遥控器都控制着恐惧。各种信号的信号在这些频率下发生，具有适当的设备操作所需的可靠辨别。

最终设备是一种在高卷中制造的类型，并在各种环境中安装，因此直接指向可预测性能的需求和容差变化。而且，毋庸置疑，这些东西必须便宜，所以没有机会使用任何不可达到的级联部件（偶然的材料，这对工程师几十年来说已经熟悉;众多詹姆斯卡梅伦没有意识到这一点）。

所需的选择性隐含着具有约10％带宽（通带宽约10％的中心频率的通带）的四极滤波器。没有缺乏设计这种相当基本的规范作为有源过滤器的方法。尽管如此，只有一个leetle抓到 - 电力预算。这些过滤器中的至少一个是永久性的，并且在30UA区域中，包括所有相关数字发条的平均电流的最大允许系统空闲电流。闹铃响起，正如我在我的脑海中看到的那样，我可以将这个过滤器迅速下降到零（在John Connor中，获得 - 代码编号类型的可行OP-AMPS的数量。低放大器静态电流和高频不混合，原因很简单。静态电流越低，放大器的开环带宽越低。较小的开环带宽与过滤器中心频率的比率越小，您将进入的问题越多。

这只是一个拇指的规则，但在判断这一点时，看看'F0 * Q'产品非常有用，并将其与放大器的增益带宽产品相关联。比方说，我们在建设有40kHz的中心频率和10％的带宽的过滤器，所以在10 f0Q产品的区域问答会是400千赫（Q是无量纲）。现在将其划分为放大器的GBW以获得优点的数字。拇指规则是：如果该比率小于十，则可能有问题。这意味着在该实例中的4 MHz GBW要求。

另一个处理器供应商已经做出了尝试设计滤波器（实际上，只有两极文件管理器，所以它不会正确地完成任务），根据各地的最快的放大器，具有适当的低静态电流。该放大器的GBW为350 kHz。我作为一个过滤器向导的数十年的经验告诉我，无法预计从使用放大器的过滤器的可预测，稳定的性能是无望的，这些滤波器可以提供这样一个低GBW / F0Q的优点。While it’s possible to ‘pre-distort’ the component values so that one single example of the amplifier can deliver a frequency response that resembles the desired curve (at least in the passband), the variation in response over device batches, temperature and supply voltage means that reliable performance in production can simply not be achieved.

也许有一个更快的放大器，电流漏极足够低？好吧，我当时看到的最好的（Max9914，自从你问的MAX9914，在20个口粮上用1 MHz GBW）仍然留下了滤波器设计挑战 - 实际上，客户真的需要两个用于四极的放大器filter, and already we’d be way over our current budget.

显然，我们需要一种不同的方法。和救恩来自过去，以古老的无源滤波器的形式，使用电感器以及电容器和电阻器 - 但根本没有放大器！在无源过滤器上的主动过滤器的早期支持者在无源过滤器上，引用了电感器的成本，尺寸和重量，因为应从滤波器设计的佳能曝光，至少在亚无线电频率下。但电感从未消失过，今天仍然可用于许多形式。

但是，你嘀咕着，不是被动过滤器来设计？好吧，不要这样做，因为我即将描述。设计方法我将使用“窄带电容耦合”方法，这很容易，你几乎可以在你的头上做到。它肯定有资格符合戴维尔在Intersil呼叫“荒岛设计”中的嘲笑，因为根本没有软件来让你非常接近你所需要的东西。让我们一步一步地贯穿一个过滤器。

1. 阻抗级别，客户想要Zin> 100 kohm，所以如果我们希望两个过滤器并联连接到输入信号，让我们说200 kohm。这是源阻抗和我们的参考阻抗水平。
2. 带宽为10％，因此让我们将这座200 kohm除以10，以在中心频率下获得20 kohm的所需电感阻抗。
3. 让我们选择30 kHz的中心频率。我们需要20 kohm的电感除以（2pi * 30k）或~0.1亨利。快速搜索Digikey目录显示Bourns 70F的标准5％电感器（涂漆的窒息）70F101AF-RC看起来很好。固有的质量因子是>> 10和自谐振频率>> 30 kHz，所以它应该适合我们的目的。
4. 下载电感器数据表并打开各种寄生措施 - 没有电感是完美的。从自谐振频率为157 kHz的自谐振频率下，锻炼绕组电容CPAR为10.3 PF。线圈在79 kHz处具有48的额定质量因子，其阻抗将是49637欧姆。如果损失的唯一原因是287欧姆串联电阻标准器，您可以获得49637/287 = 173的质量因数。因此，让我们添加一个分流阻力，它本身会给我们提供1 /（1/48-1 / 173）或66.4的质量因子。阻力频率为66.4 * 49637，即3.29兆欧。
5. 计算必要的电容，以在30 kHz下谐振0.1小时电感，并减去CPAR。来到271 pf。现在，采用这些调谐电路中的两个，并将它们与电容器一起耦合，该电容等于由Q或28PF除以谐振帽。从电感器上的每个调谐盖上敲掉该电容的一半，使它们每个257 PF。整件事如图1所示。

让我们看看频率响应，在图2.相当不错，你不会说吗？

现在，我承认我选择的电感器与我们习惯于这些日子的微小包装相比，我选择的巨大巨大巨大。但客户向我们保证，空间不是问题。该电感器的分销商的小额数量高于您支付电阻或电容的程度。但是，合适的线圈可以以远低于大规模生产数量的价格来源。进一步的设计优化将允许线圈质量因数的较低值，进一步降低尺寸和成本。

LTSPICE中的蒙特卡罗分析表明，它与部件公差相当耐耐药，并且现代铁氧体电感通常设计具有相当低的渗透系数。别忘了，这个过滤器不需要任何直流电源。我们刚刚将输出直接进入微控制器上的比较器输入，完成工作，电源预算满足，老式技术节省了一天。

所以（我认为这是一个道德故事，毕竟）它不会从（看看我在那里的时候？）谦虚的电感，以及当电力预算紧张时它可以为您做些什么！