Tool-Tipp Aktive Filter mit Online-Tools einfach entwickeln

Zu den am häufigsten eingesetzten Filtern gehört der Tiefpassfilter, der hohe Frequenzen bis zu einer Grenzfrequenz abschwächt, alle anderen Frequenzen passieren lässt. Anwendung findet er u.a. als Anti-Alias-Filter.

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Die einfachste Form des Tiefpassfilters ist ein RC-Glied, das z.B. zwischen Operationsverstärker und A/D-Wandler verwendet wird. Hierbei handelt es sich um eine sehr kostengünstige Schaltung, da im Normalfall keine besonderen Anforderungen an die Bausteine gestellt werden.

Wenn die Anwendung jedoch eine hohe Güte des Filters oder eine Verstärkung des Signals verlangt, kommen aktive Filter zum Einsatz. Diese bestehen, neben einigen passiven Bauteilen, aus einem oder mehreren Operationsverstärkern. Gerade im niederen Frequenzbereich sind diese Filter vorteilhaft, da sie große Induktivitäten emulieren können – siehe auch Gyrator (Positiv-Impedanz-Inverter, der Kapazitäten in Induktivitäten und v.v. wandelt).

Zur Berechnung derartiger Filter gibt es auf der Internetseite von Analog Devices das Online-Tool Analog Filter Wizard. Dieses Werkzeug ist kostenlos und ohne Anmeldung nutzbar, wer einen myAnalog-Account besitzt, kann seine Filter auch abspeichern und später weiter verwenden.

Auf der Startseite des Filter Wizards wird als erstes die Topologie gewählt: Tiefpass, Hochpass oder Bandpass. Jetzt folgen Daten zu Verstärkung, Grenzfrequenz und Dämpfungsmaß. Über einen Schieberegler wird die Filterantwort eingestellt – hierbei sind die typischen Filter hinterlegt: Chebyshev, Butterworth und Bessel sowie eine Kombination aus Butterworth und Bessel. In der Ansicht kann zwischen Verstärkung mit der Angabe zu Durchlass- und Sperrbereich, Phase, Gruppenlaufzeit, Sprungantwort und den einzelnen Filterstufen umgeschaltet werden. Durch diese Informationen lässt sich der Filter recht gut definieren.

Im nächsten Schritt werden die Komponenten ausgewählt und der Spannungsbereich festgelegt. Das Programm sucht automatisch passende Verstärker und passive Komponenten aus der Datenbank. Der Benutzer kann aus drei verschiedenen Optionen wählen, die auf niedriges Rauschen, geringen Energiebedarf oder auf die gewünschte Versorgungsspannung optimieren. Mit diesen drei Optionen liefert das Programm einen guten Startpunkt, der Benutzer kann aber auch selbst einen Verstärker auswählen.

Auch in dieser Ansicht sind verschiedene Darstellungen wählbar, neben den vorher schon erwähnten gibt es hier zusätzlich Informationen über das Rauschen, den Leistungsbedarf, Angaben zu den einzelnen Filterstufen sowie die komplette Schaltung des Filters.

Im letzten Schritt werden durch die Vorgaben der Bauteil-Toleranzen aus den errechneten, idealen Werten reale Bauteilwerte aus der jeweiligen E-Reihe ermittelt. Auch diesmal lohnt ein Blick in die anderen Ansichten – es werden die Abweichungen aufgrund von Toleranz und gewählter E-Reihe in den jeweiligen Darstellungen hervorgehoben.

Damit kommen wir zum letzten Schritt, den das Programm zur Verfügung stellt. Der Benutzer kann nun Muster der verwendeten Operationsverstärker bestellen und, bei Bedarf, auch gleich entsprechende EVAL-Boards. Dieser Vorgang, wie auch der folgende, verlangt einen myAnalog-Account.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Bereitstellung der kompletten Dokumentation (Design Files). Diese werden im System aufbereitet und als Link zum Download per E-Mail geschickt. Sie enthalten u.a. den Schaltplan, eine Stückliste sowie Bestückungspläne für die EVAL-Board. In einem weiteren Ordner erhält der Benutzer Daten zum Rauschen, Gruppenlaufzeit, Phase, Sprungantwort usw. als *.csv-Dateien, die sich in Excel grafisch aufbereiten lassen. Zu guter Letzt kann man die kompletten Design Files auch an einen Kollegen senden.

Fazit: Analog Filter Wizard übernimmt die Berechnungen und erstellt die nötigen Dokumente, um schnell zur eigenen Schaltung zu gelangen. Die gezeigten Diagramme können in ADIsimPE (kostenlose Spice-Simulation von ADI) simuliert werden und entsprechen den Ergebnissen. Damit ist das Tool ein guter Ausgangspunkt um aktive Filter zu entwickeln.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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