Analogdesign in den Griff bekommen

Im letzten Teil unserer vierteiligen Serie, in der wir den Mangel und die Wichtigkeit von Kompetenzen im Bereich Analogdesign aufzeigen, erklären wir, wie man in kurzer Zeit eine voll funktionsfähige analoge Filterschaltung entwerfen kann, ohne manuell Bauteilwerte zu berechnen oder komplexe Zahlen oder Differentialgleichungen anzuwenden.

Abbildung 1: Menü Filtertyp

Mithilfe kostenloser Software-Tools wie Analog Filter Wizard und LTSpice, beide von Analog Devices, können Elektronikentwickler nun das Verhalten einer Filterschaltung entwerfen und simulieren, bevor sie diese im Labor erstellen oder in einer Testanwendung einsetzen.

Design-Aufgabe
Die Frequenz der menschlichen Sprache liegt ungefähr zwischen 300 Hz und 3 kHz. Die Herausforderung besteht darin, einen Bandpassfilter (BPF) zu entwerfen, der Signale innerhalb dieses Bereichs (Durchlassband) durchlässt, während Frequenzen außerhalb dieses Frequenzbereichs (Sperrband) unterdrückt werden. Eine praktische Anwendung für diesen Filter ist das Telefonsystem, bei dem das Signal bandbegrenzt wird, bevor es mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert wird.

Aufbau der Schaltung
Starten Sie zunächst das Tool Analog Filter Wizard und wählen Sie einen Bandpassfilter aus den zur Verfügung stehenden Optionen (Abbildung 1).

Öffnen Sie anschließend die Registerkarte „Specifications“. Es wird eine benutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche (GUI) angezeigt, mit der sich die Filterspezifikationen eingeben lassen und die dann eine Grafik des entsprechenden Filterfrequenzgangs anzeigt. Für dieses Beispiel erzeugen die in Abbildung 2 dargestellten Werte einen Frequenzgang, der dem gewünschten Filterverhalten sehr nahe kommt.

Der Durchlassbereich ist definiert als der Frequenzbereich, in dem das Ausgangssignal mindestens 70 % der Größe des Eingangssignals beträgt, und wird durch den blau markierten Bereich zwischen den beiden -3 dB-Eckfrequenzen angezeigt. Der Roll-Off des Filters ist mit -40 dB/Dekade spezifiziert. Das bedeutet, dass Signale, deren Frequenzen 10-mal höher (bzw. niedriger) als die beiden Eckfrequenzen von 300 Hz bzw. 3 kHz sind, um den Faktor 100 abgeschwächt (in ihrer Größe reduziert) werden.



Abbildung 2: BPF-Frequenzgang

Auf der Registerkarte „Components“ werden die für den Aufbau des Filters erforderlichen Elemente angezeigt. Hier können Sie die Spannungspegel hinzufügen, die die Schaltung verwenden soll, und benutzerdefinierte Komponententypen (Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker) auswählen oder einfach die vom Tool ausgewählten Standardkomponenten übernehmen.



Abbildung 3: BPF-Schaltungskomponenten

Die angegebene Schaltungskonfiguration ist für einen Butterworthfilter vierter Ordnung, der aus einem Sallen-Key-Tiefpassfilter zweiter Ordnung und einem Sallen-Key-Hochpassfilter zweiter Ordnung besteht. In Kombination ergeben sie den gewünschten Bandpass-Frequenzgang.

Mit der Funktion „SPICE Only“ (in der Registerkarte „Next steps“ (Nächste Schritte) können Entwickler die Softwaredateien herunterladen, die für die Simulation der Schaltung mit dem Simulationstool LTSpice erforderlich sind, das auf der Website von Analog Devices zum Download bereitsteht.

Definieren von Eingangssignalen
Abbildung 4 zeigt den LTSpice-Schaltplan, der nach dem Öffnen der Datei „TransientAnalysis.asc“ (vom Analog Filter Wizard bereitgestellt) angezeigt wird. Die beiden Filterstufen zweiter Ordnung, die Stromversorgungen (V2, V3) und die Eingangssignalquelle (VIN) sind deutlich zu erkennen.



Abbildung 4: LTSpice BPF-Simulationsschaltplan

Entwickler können sehr einfach zwei Arten von Simulationen durchführen, um zu überprüfen, ob sich das Filterdesign wie angegeben verhält

• Transienten-Analyse
• AC-Analyse

Die Transienten-Analyse simuliert das Filterverhalten für ein reales Zeitbereichssignal mit einer bestimmten Eingangsspannung und -frequenz. Die maximale Eingangsspannung muss innerhalb der Betriebsspannung der gewählten Operationsverstärker liegen.

Die AC-Analyse simuliert das Filterverhalten über den gesamten Bereich der möglichen Eingangssignalfrequenzen.

Simulation der Schaltung und Untersuchung des Ausgangs
Für die Transienten-Analyse ist das Eingangssignal eine Sinuswelle von 1 V (Peak) mit einer Frequenz von 1 kHz. Abbildung 5 zeigt, dass das Signal den Filter ungedämpft passiert, da das Eingangssignal (grüne Kurve) und das Ausgangssignal (blaue Kurve) kaum voneinander zu unterscheiden sind. Dieses Verhalten ist zu erwarten, da 1 kHz im Durchlassbereich des Filters liegt.



Abbildung 5: Das 1-kHz-Zeitbereichssignal passiert den Filter ungedämpft

Die Wiederholung der gleichen Simulation für ein Eingangssignal mit einer Frequenz von 30 kHz (Abbildung 6) zeigt, dass das Ausgangssignal fast 0 V beträgt. Dies ist ebenfalls das erwartete Verhalten, da diese Frequenz außerhalb des Durchlassbereichs (Sperrbereichs) liegt.



Abbildung 6: Filter unterdrückt ein 30-KHz-Zeitbereichssignal

Der Testbench-Plan für die von Analog Filter Wizard heruntergeladene Datei „ACAnalysis.asc“ ist in Abbildung 7 dargestellt.



Abbildung 7: LTSpice AC-Analyse-Testbench

Abbildung 8 zeigt den Frequenzgang des durch die AC-Analyse erzeugten Filters, der weitgehend mit dem übereinstimmt, der bei der Angabe der Filterleistung im Analog Filter Wizard (Abbildung 2) angezeigt wird.



Abbildung 8: Frequenzgang des BPF-Filters

Fazit
Mit dieser vierteiligen Blogserie möchten wir das Bewusstsein für das Defizit und den Bedarf an Elektronikingenieuren und Entwicklern mit Kompetenzen im Analogdesign schärfen. Wir haben die Grundlagen des Analogfilterdesigns und die Tools besprochen, die Elektronikentwickler für ihre Arbeit verwenden. Das Design analoger Schaltungen ist kein Designprinzip, das auf dem subjektiven Verständnis des einzelnen Entwicklers beruht, sondern hat sich zu einer stark strukturierten Methodik entwickelt, die durch den Einsatz moderner Hardware- und Software-Tools zur Automatisierung von Aufgaben, für die früher zeitaufwändige manuelle Berechnungen erforderlich waren, erheblich einfacher geworden ist.

Wir hoffen, dass alle jungen Entwicklerinnen und Entwickler durch diese Blogserie einen neuen Blick auf das Design analoger Schaltungen bekommen und darin eine wertvolle Kompetenz und eine lohnende Karriereoption erkennen.

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