На сегодняшний день существует огромное количество программ, помогающих разрабатывать электронные устройства. На этапе расчетов реальных схем всегда возникает важный вопрос выбора конкретной детали из множества доступных на рынке. Классическое моделирование предполагает, что вы уже определились с основными компонентами своей схемы и ведете анализ уже по факту их выбора, а в реальности это, как правило, не так, и компонент еще не то, что не куплен, но даже не выбран.
И тут уже нам могут помочь производители микросхем со своими помощниками по расчету и выбору. Для примера будем рассчитывать активный фильтр низкой частоты (ФНЧ), руководствуясь рекомендациями Analog Filter Wizard (https://tools.analog.com/en/filterwizard/).
Этот расчет хотя и приведен для примера, является необходимостью конкретного устройства, а именно, выполняет роль фильтра для синтезатора частот на основе микросхемы AD9833.
Из характеристик этой микросхемы мы знаем что максимальная выходная частота составляет половину от частоты внешнего опорного генератора и для 25 МГц (MCLK) это будет 12,5 МГц, что по сути отражает половину частоты Котельникова-Найквиста. В реальности каждый электронщик, занимающийся аналого-цифровыми преобразованиями, знает, что работать вблизи предела 1/2Fc — это получить в сигнале высокую степень искажений и поэтому, если есть возможность, нужно держаться от этой стенки подальше. В реальности я планирую получить полосу пропускания в пределах 2 МГц, что выглядит вполне реалистично и для этого мне нужно убрать из моего сигнала все, что больше. При этом я знаю, что основная помеха в сигнале будет на частоте тактирования (MCLK) то есть на 25 МГц, поэтому в этой точке я хочу получить максимум подавления фильтра.
Перейдем к самому помощнику AD Analog Filter Wizard. На первом экране нас встречает выбор типа фильтра:
В нем, как мы уже определились, выбираем ФНЧ (Low Pass). Далее заполняем поля:
Gain — усиление фильтра выбираем 12 дБ (≈4 раза), это необходимо что бы увеличить амплитуду достаточно слабого (600 мВ от пика до пика) сигнала с выхода AD9833.
Passband — граница полосы пропускания по уровню -3 дБ выбираем 2 МГц, как мы ранее определись это максимум что мы будем синтезировать.
Stopband — граница полосы заграждения 25 МГц, а вот ослабление я подбирал вручную, дабы добиться максимального подавления (получилось -43,8 дБ), но не превысить 2-ой порядок фильтра.
Filter Response — отклик фильтра. Я выбрал балансное решение в виде фильтра Баттерворта. Можно применять как фильтры с более крутым срезом фильтр Чебышева, но с большей неравномерностью полосы пропускания, или, наоборот, с пологим срезом фильтр Бесселя и линейной фазо-частотной характеристикой.
Чуть ниже указан получающийся порядок фильтра (order) и количество необходимых операционных усилителей (stage).
На следующей вкладке «компоненты» выбираем необходимое напряжение питания (Voltage Supplies), для меня это ±12 В.
При выборе компонентов (Components) есть два пути: довериться производителю (Pick for me) или выбрать самостоятельно (I want to choose), лично я предпочитаю контролировать процесс и выбрал второе.
Следующая галочка Compensate for GBW позволяет указать программе необходимость компенсировать расчеты амплитудных и фазовых характеристик (АЧХ и ФЧХ) с учетом ограниченной скорости реального операционного усилителя, иначе расчеты будут как для идеального ОУ.
Соотношения для пассивных компонентов определяем исходя из графика АЧХ и, при необходимости, ФЧХ, для этого в разделе просмотр (View) выбираем амплитуда в дБ (Magnitude dB). Изначальные идеальные желаемые характеристики на этом этапе могут немного ухудшиться, за этим надо следить по доступным графикам.
Также, в этом разделе можно выбрать конкретную модель операционного усилителя (Op Amp) из таблицы рекомендуемых или возможных для применения, а в списке (Implementation) выбираем топологию построения фильтра из вариантов Саллена-Ки или многопетлевой обратной связи.
Следующее окно подбирает реальные пассивные электронные компоненты из стандартных рядов (Preferred Series) с учетом заданного допуска (Component Toleraces). И это уже полностью сформированная инженерная, а не теоретическая, схема, максимально приближенная к заданными параметрам с учетом характеристики выбранной интегральной микросхемы.
И последнее окно предоставляет информацию о рекомендованных фильтрах питания, заказе компонентов и дает возможность сохранить расчеты.
При этом, на каждом этапе можно проверять весьма солидный список графического представления характеристик с учетом разброса параметров с оценкой по Монте-Карло.
В общем и в целом этот помощник мне весьма понравился. Есть все, что нужно, и даже больше, визуализация графиков точна и не содержит избыточной информации. Теперь собрать схемотехнику любого (из трех возможных) фильтра можно за 10 минут вплоть до допуска последнего резистора.
Справедливости ради такая поддержка присутствует и у других производителей, в том числе Filter Design Tool от Texas Instruments, причем к списку фильтров добавлены полосно-заграждающие и все-пропускающие (фазовращатели) фильтры. Но, сравнивая два средства, статью я написал именно о AD, так как она показалась мне значительно удобнее.
Ваш TDA, 2020
