幾乎每個電子系統(tǒng)都有濾波器,，無論是無源的,，有源的還是數(shù)字的,。工程師通常開始在心里就決定了濾波器的頻率響應(yīng)和類型,。對于簡單的無源濾波，供電電壓去耦可能就足夠了,，但是對于更加復(fù)雜的濾波則需要考慮更多,。為了得到更好的綜合解決方案和降低成本，在項(xiàng)目開始時制定出額外的計(jì)劃可以減少花費(fèi)和開發(fā)時間,，并且提高性能,。
從設(shè)計(jì)規(guī)范階段開始，工程師就應(yīng)該明確每個濾波器所需要的頻率響應(yīng),，振幅比頻率的斜率,，以及是低通還是高通濾波器，是帶通還是陷波濾波,。可能需要限制濾波器溢出現(xiàn)有的電源電壓,；這是特別重要的,，例如系統(tǒng)要在像MP3播放器一樣的便攜式應(yīng)用中使用低電壓電池的情況。當(dāng)電源電壓,，頻率類型和響應(yīng)決定后,，下一步就是將響應(yīng)曲線所需要的特征轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)類型。
確定響應(yīng)曲線
Butterworth,，Bessel,，Chebyshev的最常見的傳統(tǒng)響應(yīng)曲線如表1.0所示。除此之外還存在許多其他的響應(yīng)曲線,，但是其中一些是基于這些基本曲線的,，只不過階數(shù)更高，例如在高端音頻分頻器中常見的2階Linkwitz-Riley就是由兩個一階Butterworth濾波器組成的。
Butterworth是最常見的濾波器類型,，因?yàn)槠渚哂邢啾绕渌魏螢V波器來說,，最精密的平頂通帶。Butterworth屬于二類濾波器,，意味著波紋被限制在阻帶內(nèi),。
Chebshev是一類濾波器，響應(yīng)曲線比Butterworth更為陡峭,，但是它在通帶內(nèi)會受到波紋的影響,。
Cauer頻率響應(yīng)可以是一類，也可以是二類,，因?yàn)樵谕◣Ш妥鑾е械牟y都可以獨(dú)立調(diào)整,。對于給定的波紋值，它在阻帶和通帶之間具有最快的增益躍遷,。
Bessel頻率響應(yīng)適合于需要線性相位響應(yīng)的系統(tǒng),，并且在通帶中具有最大的平坦群延時。因此,，在波形保持非常重要的音頻電路中很受歡迎,。
頻率的斜率
電路中電抗性元件的個數(shù)，不論是電感性還是電容性元件,，決定了電路中的“階”數(shù),。一個電阻加上一個電容就是第一階，并且加入到電路中的每個電抗性組件都會相應(yīng)增加一階,。當(dāng)頻率相同時,，每一階會讓斜率變得更大，每八度增加6dB,。
濾波器的階數(shù)越高,，響應(yīng)曲線越接近垂直，如圖1.0所示,。
模擬或數(shù)字
采用數(shù)字方案要取決于許多因素,；數(shù)字方案通常會花費(fèi)較長的開發(fā)時間，需要更多的資源,，并且可能無法達(dá)到與模擬濾波器相同的性價比,。使用數(shù)字濾波器的器件，比如FPGA或CPU,，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以進(jìn)行濾波,，然后再重新轉(zhuǎn)換成模擬信號。DSP解決方案能提供復(fù)雜處理的能力,，但是這種額外的靈活性需要更多的開發(fā)工作和更高的花費(fèi),。
在做出決定以前,，主要應(yīng)該考慮的是設(shè)計(jì)中其他必要功能模塊的復(fù)雜性。
濾波器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式
拉普拉斯變換可以通過計(jì)算或從標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線公式中進(jìn)行更為普遍的查找來實(shí)現(xiàn),。
公式1.0是針對三階Butterworth濾波器進(jìn)行的變換,，其中：s=o+i。w,，（實(shí)數(shù)+復(fù)數(shù)部分）
變換分子和分母可以進(jìn)行分解因子計(jì)算,，以找到公式的極點(diǎn)與零點(diǎn)。
使用極點(diǎn)和零點(diǎn)的濾波穩(wěn)定性
極點(diǎn)是能夠使分母為0（或H（s）=無窮大）的“s”的數(shù)值,，“零點(diǎn)”是能夠讓分子為0的 “s” 的數(shù)值,。為了使濾波器穩(wěn)定，極點(diǎn)的數(shù)值必須大于零點(diǎn)的數(shù)值,。由于公式1.0只有極點(diǎn)存在,，表明該三階Butterworth穩(wěn)定，并且沒有擺動,。
如果濾波器的時間相對振幅響應(yīng)需要進(jìn)行檢驗(yàn),，則對公式可以進(jìn)行反拉普拉斯變換，以使其回到時間域,。沒有必要在模擬 “s”平面和“z”平面之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，因?yàn)橐呀?jīng)可以使用數(shù)字方案了。
Sallen-Key有源濾波器
盡管許多不同的配置可以在數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上用于設(shè)計(jì)最終的電路,，但由于本文章的目的,，我們選擇了Sllen-Key二極濾波器，因?yàn)樗谒嗅槍Φ屯ê透咄ㄟ^濾的二階濾波器配置中是最受歡迎的,。它們構(gòu)造簡單,，并且對于組件容差有相對彈性。圖2.0和2.1分別展示了低通和高通配置,。
通過調(diào)整組件的值,，任何二階低通響應(yīng)都可以產(chǎn)生。
針對模擬濾波的單芯片解決方案
如果需要高階濾波器,，基于Sallen-Key的濾波器可能不是最好的方案,。達(dá)到8階的濾波器就有可能使用專用的開關(guān)電容型濾波器，比如美信（Maxim）的MAX293,。將輸入時鐘頻率轉(zhuǎn)換為所需要的滾升/滾降頻率使得這些都變得非常靈活，但是它們受到的干擾確實(shí)要高于連續(xù)時間濾波器,。
TI的UAF42和美信的MAX274濾波器的優(yōu)勢是將低通,，高通和帶通合并在一個單獨(dú)的元件中。通過使用高度準(zhǔn)確的內(nèi)部微調(diào)電容,，它們就不容易受頻率變化的影響,，而頻率變化會導(dǎo)致各級間的不一致,。
希望能實(shí)時改變?yōu)V波器規(guī)格的工程師可能會考慮現(xiàn)場可編程模擬陣列（FGAA），例如來自于AnADIgm的產(chǎn)品,。這些產(chǎn)品采用小型QFN封裝,，具有可完全配置的模擬更能模塊。例如,，AN121E04具有4個可配置I/O單元和兩個專用的輸出單元,，因此可以并行處理多個模擬信號。
