基于LTC1562有源滤波器的设计与实现
摘 要：滤波器是一种使有用频率信号通过而同时抑制或有效衰减无用频率信号的电子装置，工程上常用它进行信号处理、数据传送和抑制干扰等。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，在合适的直流电源供电的情况下才能起滤波作用，它具有信号放大功能且输入/输出阻抗容易匹配，目前在音频处理、工业测控等领域有着广泛的应用。在介绍LTC1562的特点的基础上，给出了利用FILTERCAD软件设计的一个6阶Butterworth带通滤波器的应用电路及实测结果。
关键词：滤波器；LTC1562；FilterCAD
概述
各类电信系统和数据采集系统都离不开滤波器，开关电容滤波器技术允许使用片外或片内时钟调整滤波器截止频率，这种技术应用需要一个时钟，如果电路中没有时钟，则必须设计一个专门的时钟电路，如果电路中有时钟，那么必须按其频率调整到截止频率的整数倍。通常这种时钟要从电路板的数字部分引入到模拟部分，这使布线变得非常棘手。常见的单片滤波器存在许多不足之处，它需要外接时钟信号，这些滤波器没有集成时钟或者内部时钟的精度不够，这些滤波器的截止频率一般小于100kHz，成本高于用分立器件实现的滤波器，灵活性不如用分立器件设计的滤波器，转折频率范围受到限制(2～100kHz)，有的不能用差动信号。有源滤波器采用有源器件需要使用电源，加上功耗较大且集成运放的带宽有限，因此目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，一般不能用于高频场合。但总的来讲有源滤波器在低频(低于1MHz)场合中使用有较无源滤波器更优的性能，因而目前在音频处理、工业测控等领域广泛应用。针对现有滤波器的不足之处，凌特公司推出了一系列的单片连续时间有源RC滤波器及采样滤波器，且这些滤波器不需要外部时钟信号，在设计方面更灵活，降低了成本，体积更小，具有更强的可编程能力。
滤波器在本质上是一种频率选择电路，通常用幅频响应和相位响应来表征一个滤波电路的特性。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通5类。LTC1562是通用的单片有源RC滤波器，RC有源滤波器动态范围宽并且可提供比单片开关电容滤波器高得多的截止频率。RC有源滤波器主要由分立元件构成：运算放大器、电阻、电容。随着高速运放的出现，几MHz甚至更高的截止频率都是可以提供的，滤波器曲线和截止频率取决于构成滤波器的分立无源元件的选取。凌特公司的新型RC滤波器集成了运放、精密电容和一些电阻，为截止频率小于300kHz的应用提供了一种体积小巧的解决方案，对截止频率，滤波器类型和滤波器曲线可以编程设定，内部电阻可调整得很精确，因而滤波效果比分立元件更精确。
另外，利用软件FILTERCAD可方便地设计出简单或复杂的滤波器函数，完全集成一个分立元件RC有源滤波器意味着要集成所有的有源或无源元件，因此滤波器就变得无法调整，不过用于某些高速应用的可调单片模拟滤波器已经出现，只是动态范围小一些，其中可调的元件为跨导体(transconductors)或MOSFET，它们取代了有源滤波器中传统的电阻。
LTC1562的结构及基本滤波电路
LTC1562内部有4个匹配的2阶连续时间滤波器模块，可以用来组成两个4阶或者1个8阶低通、带通、带阻、高通、全通滤波器，每个模块带有1个虚拟地输入(INV)和两个轨对轨输出(V1、V2)，其中心频率从10～150kHz，精度为0.5%，其带宽、Q值及增益用电阻调节且不需要时钟，该芯片既可用单电源(+5V)供电也可用双电源(±5V)供电，其内部结构如图1所示。
构成基本低通、高通、带通滤波器的形式可由图1中的ZIN和输出点来决定，具体可由表1来描述：
并且对于给定指标能方便快捷地设计出满足性能要求的滤波器，根据给定的中心频率fo和Q值可以计算出R2和RQ的理论值，公式如下：
R2=10kΩ×(100kHz/fo)2
RQ=Q×R2×fo/100kHz
在LTC1562的大多数应用中，利用1个模块和3个电阻可同时提供2阶低通、带通、高通滤波，3个外部电阻可调节滤波器参数fo、Q及增益，其内部电阻的精度和外部电阻一起决定每个2阶模块的中心频率fo，RQ影响Q值，ZIN影响增益。
利用FILTERCAD设计有源滤波器
理想滤波器的频率响应在通带内应具有最大幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零，但实际的滤波电路往往难以达到理想的要求，如果同时在幅频和相频两方面都满足要求就更加困难，所以一般有源滤波器的设计是根据要求的幅频和相频响应寻找可实现的有理函数进行逼近设计以达到最佳的近似理想特性。例如可以主要着眼于幅频响应而不考虑相频响应，也可以从相频响应出发而使幅频响应居于次要地位，常用的逼近函数有：巴特沃思函数、切比雪夫函数、贝塞尔函数等，利用他们设计的滤波器各有不同的特点。FILTERCAD3.0是一个基于Windows系统的电脑辅助设计程序，可用来为凌特公司滤波器的器件进行滤波器设计，它能够促使用户设计出优良的滤波器并能随意调整配置各元件参数，并能立刻观察到结果从而获得更佳的设计。实际上，利用FILTERCAD软件可设计出各种响应曲线的低通、高通、带通及陷波滤波器，其中包括Butterworth、Bessel、Chebychev、椭圆、最小Q椭圆以及客户定制的滤波电路。图2是使用FILTERCAD3.0生成的基于LTC1562的6阶BUTTERWORTH有源带通滤波电路，其中心频率为20kHz。
结束语
以上所选的主要器件组成的电路均已做成PCB并通过信号测试，该带通滤波器通带宽2kHz，阻带宽6kHz，阻带衰减30dB，通带内幅频特性波动仅0.5dB，滤波效果十分明显，其频率响应曲线见图3，频率与增益对照见表2。
