硬件濾波器設(shè)計(jì)，這些參數(shù)你注意到了嗎？

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濾波器，顧名思義，是將信號中一些特定頻域的“波”濾除。按功能分類，可分為低通、高通、帶通、帶阻等。在現(xiàn)代各電子、電氣系統(tǒng)中，可謂無處不在。
???????? 提到濾波器，如果你首先想到的是巴特沃斯、切比雪夫等典型濾波器，以及通帶寬度、阻帶衰減、過渡帶寬等關(guān)鍵參數(shù)，那么，你已經(jīng)有一定的理論基礎(chǔ)，甚至?xí)O(shè)計(jì)軟件濾波器解決數(shù)字信號的頻域?yàn)V波問題了。但是，本文講到的一些參數(shù)，卻與這些完全不同，只有關(guān)注了這些參數(shù)，才能將濾波器理論基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為硬件實(shí)踐。


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一、靈敏度參數(shù)。
???????? 靈敏度表征濾波器對元器件變化的敏感程度。把濾波器當(dāng)做一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，那么，其輸出Vout與輸入Vin存在關(guān)系：Vout=H(s)*Vin。這里，H(s)稱為網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，或?yàn)V波器的傳遞函數(shù)。而靈敏度S(x)，就是網(wǎng)絡(luò)函數(shù)變化率與所關(guān)注元器件數(shù)值x偏差之間的比值，定義為：S(H, x)=(dH/H)/(dx/x)。
???????? 實(shí)際電路中，電阻、電容、電感都存在一定的誤差，運(yùn)放的放大系數(shù)、通帶平坦度等也非絕對理想，而且隨著溫度、濕度等變化，元器件的數(shù)值也會發(fā)生變化，這些都會造成網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H(s)的變化，進(jìn)而影響濾波效果。因此，在硬件濾波器設(shè)計(jì)中，一定要考慮元器件自身的精度。濾波器對關(guān)鍵元器件的靈敏度要足夠低，元器件的精度應(yīng)足夠高。????????
二、輸入阻抗與輸出阻抗。
???????? 信號源一般可等效為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)。如果濾波器輸入端與信號來源阻抗匹配，則能達(dá)到最大功率傳輸，如果濾波器輸入為高阻，則能保持信號輸入電壓不變。而如果設(shè)計(jì)過程中未留意到輸入阻抗這一參數(shù)，則會造成反射（高頻）或分壓（低頻），降低信號傳輸效率，造成信號衰減。
???????? 同樣，如果濾波器的輸出端阻抗不匹配也會因信號反射或分壓造成信號衰減。因此，ADC前端的濾波器設(shè)計(jì)尤其要重視阻抗之間的關(guān)系。一般，如果濾波器輸入端和輸出端分別阻抗匹配，則會對信號造成6dB信號衰減；若濾波器為高輸入阻抗，低輸出阻抗，則不會對有用信號造成衰減。
三、有源與無源濾波器。
???????? 總的來說，低頻信號濾波一般用有源濾波器，高頻信號濾波一般用無源濾波器。
???????? 無源濾波器由無源R、L、C組成，在做低頻信號的濾波器時(shí)，電感L的重量和體積都比較大，不利于濾波器的小型化、集成化，而且電感的使用也會使濾波效果沒那么理想。而有源濾波器一般不包含電感，由有源器件和R、C構(gòu)成，重量輕且體積小，便于大規(guī)模生產(chǎn)，目前引起工程師的極大關(guān)注。但是有源RC濾波存在對高頻特性的限制，一般運(yùn)放的增益帶寬積越大，成本也越高。所以處理高頻信號時(shí)，有源濾波并不劃算，相反無源濾波會起到較好效果。
四、元器件寄生參數(shù)。
???????? 由于工藝、生產(chǎn)成本等等原因，市面上的元器件往往存在寄生參數(shù)。如：一般電阻、電容都有寄生電感（在直流供電時(shí)，穩(wěn)壓輸出端一般并聯(lián)10uF和0.1uF的旁路電容實(shí)現(xiàn)對高、低頻噪聲的濾波，這個(gè)0.1uF的旁路電容的作用主要就是寄生電感）。而空間分布的導(dǎo)線、元器件之間也存在分布電容。這些寄生參數(shù)會直接影響濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。必要時(shí)，需要用無感電阻代替一般電阻。
總結(jié)。
???????? 通過以上分析，不難看出：濾波器硬件設(shè)計(jì)并沒有想象中那么簡單。正如世界上沒有兩片相同的葉子，世界上也沒有完全相同的兩個(gè)濾波器。硬件實(shí)現(xiàn)過程中有太多的確定的或不確定的因素，會影響濾波結(jié)果。因此，濾波器的設(shè)計(jì)不容易一步達(dá)成，往往需要不斷調(diào)試，修改，再調(diào)試，再修改，復(fù)制性較差。這也造成一個(gè)多通道濾波器往往比多個(gè)單通道濾波器要貴很多。在這個(gè)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)的積累比扎實(shí)的理論更寶貴。不過，如果你真正踏入這個(gè)領(lǐng)域，就會發(fā)現(xiàn)其中的無限樂趣和無窮魅力。
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