LT Filter Design

LT1567 e LT1568 sono due chip di Analog Devices che consentono di realizzare, con l’aggiunta di pochi componenti esterni, filtri attivi RC low-noise e high-frequency di diverso ordine, sia passa-basso sia passa-banda, con ingresso e uscita single-ended o differenziale. Appositi tool (LT1567 Filter Design e LT1568 Filter Design) messi a disposizione dal costruttore consentono di effettuarne facilmente e in pochi passi calcolo e dimensionamento.

Quando si deve realizzare un circuito elettronico è sempre necessario definire correttamente la funzione che lo tesso deve svolgere, quindi individuare la sua architettura generale e la scomposizione a blocchi e infine definire l’implementazione di ciascun blocco. Ciascuno di questi può essere analogico, digitale o mixed signal. Nel caso di blocco analogico, questo può essere costituito da un circuito di front-end, un circuito di adattamento, un amplificatore, un filtro e così via. In ogni caso è sempre opportuno chiedersi se in commercio esistano chip specifici per l’implementazione della relativa funzione.

Questa logica di progettazione è oggi molto comune, contrariamente a quanto accadeva qualche decennio fa quando qualunque circuito andava costruito a partire dai mattoni fondamentali quali transistor, componenti discreti e operazionali. Oggi molti costruttori mettono infatti a disposizione chip pensati in maniera specifica per una data funzione o rivolti a una specifica applicazione. Gli amplificatori LT 1991 e LT1995 costituiscono un esempio di questo approccio alla progettazione. La stessa cosa vale per molti altri circuiti e in particolare per i filtri analogici. A tale riguardo, in questo articolo esploreremo brevemente due chip di Analog Devices che consentono di realizzare in maniera semplice e flessibile filtri analogici attivi sia passa-basso sia passa-banda a basso rumore (low-noise) e a elevata frequenza (high-frequency) appositamente pensati per questo tipo di applicazioni. La possibilità di realizzare, in pochi passi e con l’aggiunta di pochi componenti esterni, filtri attivi RC di questo tipo con ingresso single-ended e uscita single-ended o differenziale a seconda delle specifiche necessità rende, come vedremo, questi chip interessanti da un punto di vista applicativo per motivi sia prestazionali sia di flessibilità. A questi aspetti si aggiunge la semplicità di impiego legata, tra le altre cose, alla disponibilità degli appositi tool LT1567 Filter Design ed LT1568 Filter Design che consentono di effettuarne facilmente e in pochi passaggi calcolo e dimensionamento. Si tatta di tool estremamanete semplici che possono essere utilizzati disponendo di Excel di Microsoft Office e che sono a tutti gli effetti sia di supporto alla documentazione messa a disposizione da Analog Devices su questi componenti, sia veri e propri strumenti di dimensionamento. Chi vorrà approfondire l’argomento potrà pertanto scaricare non solo i datasheet di questi componenti ma gli stessi suddetti tool dal sito di Analog Devices (https://www.analog.com/en/products.html) che rimane ovviamento il riferimento principale per l’argomento. È nostra intenzione infatti presentare in questo articolo solo una panoramica sull’argomento, rivolto a quanti progettisti e appassionati di elettronica sono alla continua ricerca di chip e tool di supporto alla progettazione e allo sviluppo delle loro applicazioni. Nel presente articolo illustreremo quindi solo le caratteristiche essenziali di questi chip facendo riferimento ai principali circuiti applicativi in cui possono essere utilizzati. Questo ci consentirà di dedicare alcuni paragrafi finali ai tool “LT Filter Design”, cui abbiamo precedentemente accennato. Quanto esporremo sarà sufficiente, in particolare, a mostrare come l’impiego di questi tool e di questi chip possa consentire, anche ai meno esperti, di dimensionare circuiti di filtro analogici passa-basso e passa-alto senza conoscere in maniera approfondita la teoria stessa dei filtri.

I CHIP LT1567 ED LT1568

Quanto avremo modo di riportare all’interno del presente articolo in merito ai chip LT1567 e LT1568 deriva direttamente dai datasheet e dai documenti ufficiali di Analog Devices e dall’impiego diretto dei fogli di calcolo che Analog Devices mette a disposizione per il dimensionamento di filtri analogici costruiti intorno a questi componenti. Per questo motivo invitiamo fin da ora il lettore che vorrà approfondire l’argomento a effettuarne il download al fine di verificarne direttamente i contenuti. Allo stesso tempo quanto verrà discusso trae ispirazione anche da numerosi altri articoli tecnici sempre di Analog Devices elencati esplicitamente all’interno del paragrafo “Riferimenti Bibliografici” che trovate alla fine dell’articolo. Premesso ciò, intendiamo passare in rassegna i due chip in maniera da illustrarne caratteristiche e applicazioni circuitali. L’LT1567 è un chip in package MSOP-8 che consente di realizzare filtri analogici low-noise e che permette allo stesso tempo una conversione del segnale da single-ended a differenziale. Il range di alimentazione compreso tra 2,7 V e 12 V ne consente l’utilizzo in moltissime applicazioni. Da un punto di vista architetturale, il chip integra due amplificatori operazionali ad ampia banda, uno dei quali configurato come amplificatore invertente a guadagno unitario. Mediante l’aggiunta di pochi componenti passivi esterni è possibile ottenere un filtro analogico del secondo ordine con frequenza di cut-off (fC) fino a 5 MHz. Il foglio di calcolo LT1567 Filter Design è pensato espressamente come supporto al dimensionamento automatico di circuiti di filtro basati sull’impiego di questo chip. In figura 1 è riportata un’applicazione tipica del chip impiegato come filtro anti-aliasing con conversione single ended/differenziale.

Figura 1: tipica applicazione del chip LT1567 come filtro passa-basso con conversione single-ended/differenziale e relativa risposta in frequenza

Figura 1: tipica applicazione del chip LT1567 come filtro passa-basso con conversione
single-ended/differenziale e relativa risposta in frequenza

Al di là della configurazione interna del chip, che avremo modo di esaminare meglio successivamente, è interessante osservare (figura 1) le relazioni principali per il dimensionamento dello stesso circuito, relazioni che il lettore potrà analizzare al fine di comprendere in che modo sia possibile controllare le prestazioni dello stesso, sebbene l’analisi risulti non strettamente necessaria data la diponibilità del foglio di calcolo LT 1567 Filter Design. Oltre alle possibilità di realizzare filtri low-noise e high-frequency, il chip si presta alla realizzazione di funzioni di conversione da single-ended a differenziale, funzione particolarmente utile in determinate applicazioni come quelle che integrano convertitori A/D (la figura 1 si riferisce in particolare a questo tipo di applicazione). L’ampio range di alimentazione (da 2,7 V a 12 V), un rapporto S/N superiore ai 100 dB e il package MSOP a 8 pin (figura 2) completano le caratteristiche principali del chip. Tra le applicazioni tipiche del chip impiegato come filtro ricordiamo:

  • filtri low-noise, high speed fino a 5 MHz
  • circuiti di filtro e conversione lownoise da single-ended a differenziale
  • filtri antialiasing o di ricostruzione
  • processamento di segnali
Figura 2: package (MSOP-8) del chip LT1567

Figura 2: package (MSOP-8) del chip LT1567

Come mostrato in figura 3, il chip integra dua amplificatori operazionali a larga banda dei quali uno è configurato come inverter a guadagno unitario.

Figura 3: configurazione interna a blocchi del chip LT1567

Figura 3: configurazione interna a blocchi
del chip LT1567

Il suo impiego, come mostrato anche in figura 1, in cui ne abbiamo mostrato una applicazione tipica, necessita dell’aggiunta di pochi componenti esterni che lo trasformano in un filtro del secondo ordine con frequenza di cutoff (fC) fino a 5 MHz, ideale per la realizzazione di filtri antialiasing. Entrambi gli operazionali integrati all’interno del chip LT1567 sono configurati come invertenti e condividono uno nodo di riferimento. La configurazione a retroazione multipla prevede due segnali di polarità opposta in uscita (morsetto invertente e non invertente). I segnali presentati da questi pin sono identici tra loro a eccezione della fase che differisce di 180º (segnali in opposizione di fase). Ne consegue che il segnale filtrato in uscita può essere utilizzato sia in versione single-ended sia differenziale. In figura 4 è riportata la classica configurazione circuitale in cui il chip è impiegato come filtro passa-basso. I due amplificatori formano un  filtro a  feedback multiplo del secondo ordine. Nel la stessa figura 4 sono riportate le relazioni per il dimensionamento del filtro. È opportuno osservare che la risposta del filtro è intesa come guadagno riferita a uscita singola e pertanto al singolo morsetto Vout+ oppure Vout-. Essendo il guadagno unitario, nel caso in cui si consideri come uscita quella differenziale l’uscita è pari a: Vout+-Vout-=2Vin. In ogni caso il foglio di calcolo consente di dimensionare sia filtri passabasso sia passa-banda basati sull’impiego del chip LT1567. Il suo impiego richiede come dati di input la banda e il guadagno in banda del filtro e il valore delle capacità esterne al chip. Il foglio di calcolo mostra automaticamente il valore dei componenti da aggiungere esternamente al chip e mostra lo schema circuitale del filtro stesso così dimensionato. Al di là dei dettagli circuitali che potrebbero essere evidenziati in figura 4, ci limitiamo a segnalare l’importanza del valore resistivo R1 che è di fondamentale importanza nell’interfacciamento della sorgente di segnale in ingresso; in alcuni casi è possibile prevedere uno stadio buffer esterno in ingresso, dimensionato e configurato in funzione delle specifiche caratteristiche della sorgente ma ovviamente questo aspetto investe considerazioni specifiche che vanno valutate opportunamente applicazione per applicazione.

Figura 4: tipica configurazione del chip LT1567 utilizzato come filtro passa-basso. I due amplificatori interni formano un filtro a feedback multiplo del secondo ordine. Le relazioni che descrivono il modello matematico del filtro sono implementate all’interno del foglio di calcolo LT1567 Filter Design che consente il dimensionamento automatico di circuiti passa-basso e passa-banda impieganti il chip

Figura 4: tipica configurazione del chip LT1567 utilizzato come filtro passa-basso. I due amplificatori interni formano un filtro a feedback multiplo del secondo ordine. Le relazioni che descrivono il modello matematico del filtro sono implementate all’interno del foglio di calcolo LT1567 Filter Design che consente il dimensionamento automatico di circuiti passa-basso e passa-banda impieganti il chip

In figura 5 è riportata un’altra applicazione tipica del chip LT1567 impiegato come filtro; si tratta della configurazione da filtro passa-banda. Si notano, in particolare, le relazioni di dimensionamento su cui non ci soffermiamo particolarmente dal momento che il dimensionamento è semplificato dalla disponibilità del foglio di calcolo LT1567 Filter Design.

Figura 5: tipica configurazione del chip LT1567 utilizzato come filtro passa-banda. Le relazioni che descrivono il modello matematico del filtro sono implementate all’interno del foglio di calcolo LT1567 Filter Design

Figura 5: tipica configurazione del chip LT1567 utilizzato come filtro passa-banda. Le relazioni che descrivono il modello matematico del filtro sono implementate all’interno del foglio di calcolo LT1567 Filter Design

Può in ogni caso risultare utile analizzare la topologia del circuito al fine di legarla alla dipendenza che sussite tra questa e banda, guadagno in banda e valori ohmici dei resistori esterni, dipendenza riassunta analiticamente nelle suddette relazioni di calcolo. La figura 6 mostra invece il chip LT1567 utilizzato come buffer con ingresso single-ended e uscita differenziale interfacciata attraverso un filtro RC del primo ordine. La tensione Vref consente di regolare il livello di modo comune in uscita. Ovviamente, le caratteristiche filtranti del circuito sono influenzate anche dagli elementi di carico presenti in uscita.

Figura 6: LT1567 utilizzato come Single-ended to Differential Amplifier. Si notino le relazioni di calcolo e la dipendenze che dalla loro analisi si evince tra capacità C e banda a -3dB

Figura 6: LT1567 utilizzato come Single-ended to Differential Amplifier. Si notino le relazioni di calcolo e la dipendenze che dalla loro analisi si evince tra capacità C e banda a -3dB

Solo per rendere più evidente questa affermazione è sufficiente confrontare il precedente circuito di figura 6 con quello di figura 7 in cui si è eliminato il blocco RC in uscita. In questo modo si sono eliminate le caratteristiche filtranti del circuito, legate prevalentemente alla capacità C. A tale proposito è interessante confrontare tra loro le rispettive relazioni di calcolo riportate rispettivamente in figura 6 e figura 7. Il circuito di figura 7 si riduce infatti prevalentemente a un blocco avente la funzione di conversione da segnale single-ended a segnale differenziale.

Figura 7: LT1567 utilizzato come Single-ended to Differential Amplifier. Si notino le differenze tra le relazioni di calcolo riportate in figura e quelle riportate in figura 6, in cui lo stesso circuito presenta un blocco RC in uscita

Figura 7: LT1567 utilizzato come Single-ended to Differential Amplifier. Si notino le differenze tra le relazioni di calcolo riportate in figura e quelle riportate in figura 6, in cui lo stesso circuito presenta un blocco RC in uscita

Allo stesso modo, non è difficile immaginare lo stesso chip utilizzato in una configurazione che funzioni da buffer con ingresso differenziale e uscita ancora differenziale (figura 8). Si noti, dall’analisi delle relazioni riportate in figura 8, come l’effetto filtrante del circuito dipenda prevalentemente dalla capacità C presente sul blocco differenziale RC in uscita. Qualche considerazione è opportuno spendere a riguardo della corrente erogabile dal componente.

Figura 8: LT1567 utilizzato come buffer differenziale (ingresso differenziale, uscita differenziale)

Figura 8: LT1567 utilizzato come buffer differenziale (ingresso differenziale, uscita differenziale)

L’uscita dell’LT1567, infatti, altro non è che quella di un operazionale, per cui può assicurare limitate correnti. Tipicamente il valore massimo di tale corrente si aggira intorno a 20 mA. A questo valore è legato, ovviamente, il minimo valore di carico ohmico consentito in uscita che dipende, evidentemente, anche dai valori resistivi di feedback e dal valore di picco del segnale in uscita. Concludiamo il paragrafo con una ovvia osservazione: abbiamo visto che il componente può essere utilizzato per realizzare un circuito di filtro che oltre a questa funzionalità integri quella di conversione da segnale single-edded a segnale differenziale, fattore legato alla configurazione interna del chip che integra due operazionali; ci si può chiedere in maniera ovvia se sia possibile utilizzare lo stesso chip per eseguire l’operazione di conversione inversa, cioè di conversione da ingresso differenziale a uscita single ended. La risposta è affermativa; in figura 9 è riportata proprio la configurazione circuitale di questa applicazione. Evitiamo di addentrarci nella trattazione analitica del circuito e ci limitiamo a mostrarne le relazioni finali (figura 9) per il dimensionamento, così come riportate sul datasheet del componente.

Figura 9: LT1567 utilizzato come Amplificatore per conversione Differenziale (ingresso)-Single Ended (uscita)

Figura 9: LT1567 utilizzato come Amplificatore per conversione Differenziale (ingresso)-Single Ended (uscita)

Circuiti elettronici che impiegano segnali differenziali, con livelli piuttosto contenuti (400 mV - 1 V picco-picco) analogici, con alimentazione disponibile di tipo singolo (tipicamente 5 V to 3 V) possono trarre vantaggio dall’impigo di chip di questo tipo utilizzati come amplificatori o filtri di interfaccia che trattano il segnale in banda base e che devono essere caratterizzati spesso, per necessità, da basso rumore e uscita con dinamica estesa all’intero range di alimentazione. L’LT1567 è costituito internamente da un amplificatore operazionale low-noise e da un amplificatore unitario invertente che si prestano proprio ad applicazioni di questo tipo. Il prodotto guadagno-banda tipico del componente LT1567 è pari a 180 MHz. Il componente è in grado di operare tra 2,7 V e 12 V di range di alimentazione con range di uscita pari a 4,4 V e 2,6 V di escursione picco-picco per un carico di 1k con alimentazione singola rispettivamente pari a 5 V e 3 V. Con un LT1567 e due o tre resistori, è semplice, in conclusione, realizzare filtri low-noise differenziali per segnali fino a 5 MHz. In particolare si tratta di filtri attivi passa-basso del secondo e terzo ordine e passa banda del secondo ordine. Il foglio di calcolo fornisce il dimensionamento dei componenti esterni rispettando i valori standard tipicamente utilizzati in elettronica e fornisce il diagramma circuitale dell’applicazione. Dopo aver discusso abbastanza diffusamente del chip LT1567 è opportuno accennare alle principali caratteristiche tecniche ed applicative del chip LT1568. Ancora una volta si tratta di un chip utile per la realizzazione di filtri attivi RC. Le caratteristiche di basso rumore e l’elevato rapporto S/N superiore ai 90 dB lo rendono simile all’LT1567. Tuttavia l’LT1568 presenta alcune caratteristiche ulteriori che lo rendono maggiormente flessibile, oltre al fatto di integrare la modalità di shutdown la quale consente di ridurre la corrente assorbita in determinate situazioni e in determinate applicazioni caratterizzate da bassa potenza disponibile. Tale funzionalità è gestibile mediante il controllo del pin EN (Enable-pin 10). Il package è ancora una volta il classico SSOP ma a differenza di quello dell’LT1567 presenta 16 pin invece di 8, aspetto che dipende sia dalla presenza dell’enable sia dal fatto che il chip integra due catene ciascuna di due operazionali invece di una sola (figura 10).

Figura 10: package (SSOP 16) del chip LT1568

Figura 10: package (SSOP 16) del chip LT1568

Il chip opera tra 2,7 V di tensione minima e ±5 V. Come l’LT 1567 anche l’LT1568 può essere utilizzato con uscita single-ended o differenziale e può essere utilizzato come filtro passa-basso o passa-banda. La possibilità di consentire oltre al filtraggio (passa-basso o passa-banda) del segnale anche conversioni single ended/differenziale e l’ampia banda (fino a 10 MHz) lo rendono adeguato all’impiego in numerose applicazioni (per esempio nel processamento di segnali video). In figura 11 è riportata una tipica configurazione in cui il chip è utilizzato come filtro passa-basso.

Figura 11: applicazione tipica del chip LT1568 utilizzato come filtro passa-basso

Figura 11: applicazione tipica del chip LT1568 utilizzato come filtro passa-basso

Come si nota analizzando la relazione che esprime la frequenza di cut-off, è sufficiente agire sul valore ohmico dei resistori esterni per fissarne il valore. Rimandiamo all’analisi diretta del datasheet per dettagli circa la specifica funzione di ciascun pin, peraltro facilmente intuibile dal rispettivo nome identificativo (figura 10). I valori ohmici dei resistori esterni consentono quindi di controllare la risposta in frequenza del filtro. In figura 12 è riportata la configurazione interna del chip LT1568. Si notano le due catene a operazionali. Il secondo stadio di ciascuna catena rappresenta un inverter di segnale da cui deriva, come per l’LT1567, la possibilità di disporre in uscita sia single-ended sia differenziale separatamente per ciascuna delle due catene.

Figura 12: configurazione interna del chip LT1568. Si notano le due catene A operazionali. Il secondo stadio di ciascuna catena rappresenta un inverter di segnale da cui la possibilità di disporre sia del segnale single-ended sia differenziale separatamente per ciascuna delle due catene

Figura 12: configurazione interna del chip LT1568. Si notano le due catene A operazionali. Il secondo stadio di ciascuna catena rappresenta un inverter di segnale da cui la possibilità di disporre sia del segnale single-ended sia differenziale separatamente per ciascuna delle due catene

Tale configurazione interna consente, inoltre, di utilizzare ciascuna catena indipendentemente dall’altra e di configurare due distinti filtri del secondo ordine. Le stesse due catene possono tuttavia anche essere poste in cascata al fine di realizzare un filtro del quarto ordine passa basso o passa-banda, cosa non possibile con il più semplice LT1567. In figura 13 è invece riportata una tipica configurazione circuitale in cui è impiegato il  chip LT1568 con alimentazione duale (A) e singola (B) rispettivamente, al fine di realizzare, in ciascuno dei due casi, due filtri indipendenti del secondo ordine.

Figura 13: dual low-pass filter realizzato con il chip LT1568 alimentato mediante alimentazione duale (A) e singola (B) e variazione della frequenza di cut-off al variare del valore ohmico dei resistori esterni

Figura 13: dual low-pass filter realizzato con il chip LT1568 alimentato mediante alimentazione duale (A) e singola (B) e variazione della frequenza di cut-off al variare del valore ohmico dei resistori esterni

La tabella riportata in figura 13-C deriva dall’applicazione della relazione analitica che lega i valori ohmici dei resistori esterni alla frequenza di cut-off. Tali schemi e dati tabellati facilitano la realizzazione e il dimensionamento del filtro anche a coloro che non conoscono approfonditamente la teoria dei filtri e anche se non si dispone del tool LT 1568 Design Filter messo a disposizione da Analog Devices e liberamente scaricabile dal relativo sito web. All’interno del datasheet sono riportate numerose altre informazioni utili al dimensionamento dei due filtri, anche mediante l’impiego di valori ohmici non necessariamente uniformi. All’interno dello stesso documento è possibile trovare tabelle per il dimensionamento di filtri con approssimazioni di Chebyshev e Bessel. Per la loro analisi rimandiamo i lettori maggiormente interessati allo studio diretto del datasheet. È invece piuttosto interessante mostrare come sia possibile impiegare entrambe le catene presenti all’interno del chip per realizzare un unico filtro attivo passa-basso RC del quarto ordine. I circuiti di riferimento, validi rispettivamente per il caso di alimentazione duale e per il caso di alimentazione singola, sono riportati in figura 14.

Figura 14: LT1567 impiegato per la realizzazione di un filtro del quarto ordine di Butterworth. A) configurazione con alimentazione duale; B) configurazione con alimentazione singola; C) relazione tra frequenza di cut-off e valori ohmici

Figura 14: LT1567 impiegato per la realizzazione di un filtro del quarto ordine di Butterworth. A) configurazione con alimentazione duale; B) configurazione con alimentazione singola; C) relazione tra frequenza di cut-off e valori ohmici

All’interno della stessa figura è riportata la tabella che esprime la relazione tra valori ohmici dei resistori (supposti per semplicità tutti uguali) e la frequenza di cut-off. La tabella si riferisce all’approssimzione di Butterworth; rimandiamo al datasheet per l’analisi e eventualmente l’impiego delle analoghe tabelle relative all’approssimazione di Chebyshev e Bassel. È in ogni caso interessante osservare come l’uscita della catena A del chip divenga ingresso per la catena B ed è proprio questo che consente di ottenere per il filtro complessivo l’ordine 4. In questo tipo di impiego pertanto si riduce il numero di filtri implementati da due a uno, al fine di ottenere un incremento di ordine da 2 a 4. Concludiamo questa breve panoramica sulle applicazioni circuitali dell’LT1568 come filtro attivo proponendo la configurazione da filtro attivo passa-banda del quarto ordine. Ci limitiamo a proporne un esempio (figura 15) direttamente tratto dal documento cui rimandiamo per maggiori dettagli. I valori dei resistori esterni che definiscono il comportamento del filtro possono essere in ogni caso determinati in maniera agevole attraverso l’impiego dell’LT1568 Filter Design di cui parleremo nei paragrafi che seguono.

Figura 15: esempio di filtro passa-banda del quarto ordine realizzato con l’impiego di un LT1568

Figura 15: esempio di filtro passa-banda del quarto ordine realizzato con l’impiego di un LT1568

DEMONSTRATION BOARD 675 ACTIVE RC FILTER BUILDING BLOCK

Da quanto esposto appare evidente come il chip LT1568 sia maggiormente performante e flessibile dell’LT1567 anche perché dispone di due catene di filtro integrate al suo interno, da cui la possibilità di realizzare due filtri del secondo ordine oppure un filtro del quarto ordine passa-basso o passa-banda. Come accade per altri chip, Analog Devices mette a disposizione per l’LT1568 una piccola demo board. La board DC675 integra un LTC1568 con capacità di disaccoppiamento e connettori BNC di ingresso, test pin per il segnale di uscita e per la tensione di alimentazione. La board è disponibile in quattro differenti versioni: DC675A-A, DC675A-B, DC675A-C e DC675A-D a seconda del tipo di filtro e dell’ordine che la stessa consente di implementare. Tra la documentazione disponibile in merito sul sito di Analog Devices è possibile trovare anche gli schematici di tali demo board. Rimandiamo direttamente alla documentazione ufficiale di Analog Devices per dettagli ulteriori e approfondimenti.

I FOGLI DI CALCOLO “LT1567 FILTER DESIGN” E “LT1568 FILTER DESIGN”

Si  è  fin qui visto come l’LT1567 e l’LT1568 altro non siano, almeno in prima approssimazione, che chip contenenti due operazionali il primo e quattro il secondo, ideali per la realizzazione di filtri attivi di basso ordine con caratteristiche low-noise e high-frequency. Entrambi i tool LT Filter Design a essi dedicati (LT1567 Filter Design ed LT1568 Filter Design) altro non sono che fogli di calcolo che possono essere scaricati liberamente dal sito di Analog Devices (www.linear.com). All’interno della sezione “Design Simulation” accessibile dalla home page di Analog Devices (figura 16) è infatti disponibile la sottosezione “Filter Simulation”. All’interno di quest’ultima è riportata una presentazione generale dei due fogli di calcolo ed un link per il relativo download. Da questo momento in poi supporremo pertanto di averne eseguito il download e di averli aperti attraverso Excel di Microsoft Office. Il lettore che eseguirà tali operazioni avrà modo di constatare con maggiore efficacia quanto segue, che ne rappresenta una breve panoramica descrittiva e operativa. Più precisamente, LT1567 Filter Design è contenuto all’interno del file LT1567Design.zip mentre LT1568 Filter Design è contenuto all’interno del file LT1568Design.zip. I file estratti da questi ultimi sono rispettivamente i fogli excel “LT1567 Design Guide Version 5_20_02.xls” e “LT1568 Design_ver2.813.xls” che d’ora in poi chiameremo semplicemente LT157 Filter Design e LT 1568 Filter Design.

Figura 16: pagina “Design Support” disponibile sul sito web di Linear Technology (www.linear.com) e sezione “Filter Simulation” all’interno della quale sono descritti i due fogli di calcolo “LT1567 Design Guide” ed “LT1568 Dsign Guide” e dalla quale è possibile effettuare il download di entrambi.

Figura 16: pagina “Design Support” disponibile sul sito web di Analog Devices e sezione “Filter Simulation” all’interno della quale sono descritti i due fogli di calcolo “LT1567 Design Guide” ed “LT1568 Dsign Guide” e dalla quale è possibile effettuare il download di entrambi.

LT1567 FILTER DESIGN

LT1567 Filter Design (ver. 5.20.02) è un foglio di calcolo che consente di automatizzare il dimensionamento per tre tipi di filtri: passa-basso del secondo ordine, passa-basso del terzo ordine e passa-banda del secondo ordine. Il disegno del filtro consente contemporaneamente la conversione del segnale single-ended in ingresso in segnale differenziale in uscita. Il filtro del secondo ordine così dimensionato garantisce un prodotto guadagno-banda pari a 5 MHz nel caso di filtro del secondo ordine e 2,5 MHz per il filtro del terzo ordine. Per il dimensionamento automatico del filtro passa-basso del secondo ordine è necessario fornire i seguenti dati: tipo di filtro (Butterworth o Chebyshev), frequenza di cut-off, guadagno in banda (G>=1) e valore della capacità dei condensatori esterni che compaiono all’interno del circuito. Stessa cosa vale per il filtro passa-basso del terzo ordine. Nel caso in cui si dimensioni un filtro passa-banda del secondo ordine invece è necessario fornire i seguenti dati: frequenza centrale, guadagno alla frequenza centrale (>=1) e valore delle capacità esterne. Il foglio di calcolo determina automaticamente il valore delle resistenze presenti nel circuito al fine di assicurare una risposta in frequenza che presenti la minima tolleranza rispetto ai valori di specifica impostati e mostra lo schema elettrico implementativo dello stesso circuito. Normalmente si assume un’alimentazione duale, tuttavia, come abbiamo illustrato nei paragrafi precedenti, è possibile impiegare anche alimentazione singola. In questo caso, il pin VEE viene portato a massa mentre il pin 5 che rappresenta un riferimento di tensione deve essere portato a una tensione opportuna compresa tra 1 V e Vcc-1V. Il valore di tensione di riferimento deve ovviamente portare l’uscita a un valore DC pari ad 1/2Vcc. Il foglio di calcolo è composto da 5 pagine (figura 17), ciascuna dedicata a una specifica funzione:

  • Main Menu
  • 2nd Order Low Pass
  • 3rd Ordet Low Pass
  • 2nd Order Band Pass
  • LT1567 Filter
Figura 17: la pagina principale del Tool LT 1567 Design Guide (Main Menu) riporta una semplice descrizione generale del foglio di calcolo e delle sue funzionalità

Figura 17: la pagina principale del Tool LT 1567 Design Guide (Main Menu) riporta una semplice descrizione generale del foglio di calcolo e delle sue funzionalità

All’interno della pagina Main Menu (figura 17) è riportata una descrizione generale del foglio di calcolo e della sua utilità, informazioni di cui abbiamo già discusso. All’interno della pagina “2nd Order Low Pass” è possibile impostare i dati per il dimensionamento di filtri passa-basso del secondo ordine. All’inserimento di questi dati consegue automaticamente la presentazione a video dello schema elettrico completo dei valori dei componenti ohmici e capacitivi connessi esternamente al chip. Al fine di facilitare le operazioni dell’utente, nel foglio di calcolo è presente un riquadro all’interno del quale vengono indicati i valori limiti dei parametri mentre in un secondo riquadro indicato come “Design Messages” sono riportati i valori esatti della frequenza di cut-off e del guadagno corrispondenti ai valori reali standard dei componenti più vicini a quelli imposti come dati dall’utente, valori che corrispondono a quelli che compaiono nello schema elettrico, il tutto nell’ottica della eventuale implementazione fisica del circuito. In figura 18 è riportata una schermata esplicativa di quanto appena affermato.

Figura 18: la pagina “2nd Order Low Pass” è un foglio di calcolo

Figura 18: la pagina “2nd Order Low Pass” è un foglio di calcolo

Come è facile osservare dall’analisi della suddetta figura, lo schema elettrico proposto automaticamente dal foglio di calcolo riporta sia la configurazione interna del chip sia i componenti passivi esterni e i relativi valori. Non è difficile rendersi conto, al di là dei valori quantitativi, del fatto che il circuito presenti effettivamente una topologia circuitale tipicamente passa-basso (nel complesso il circuito costituisce un filtro passa-basso del secondo ordine) e una configurazione differenziale in uscita. La configurazione interna del chip, mostrata esplicitamente, può essere studiata anche con l’ausilio di altri cad o per via teorica a conferma del reale comportamento del circuito previsto dal foglio di calcolo. La pagina “3rd Order Low Pass” (figura 19) è analoga alla precedente con l’unica differenza che il filtro che attraverso di essa è possibile dimensionare è un filtro del terzo ordine. Date le similitudini con la pagina “2nd Order Low Pass” evitiamo di descriverla nei dettagli. È invece interessante, piuttosto, confrontare la topologia circuitale del filtro del terzo ordine di figura 19 con quello del secondo ordine visto precedentemente in figura 18. In entrambi i casi, se i dati inseriti comportano un prodotto guadagno banda non realizzabile, all’interno del riquadro “Design Messages” viene fornito un messaggio di errore del tipo “Gain is too High”. Questo messaggio costituisce un valido suggerimento all’utente per la modifica dei dati inseriti. La struttura circuitale dei due filtri passa-basso (secondo ordine e terzo ordine) è in ogni caso molto simile, con la differenza dell’aggiunta di un terzo polo (si noti l’aggiunta della capacità C3 all’interno dello schema di figura 19 rispetto a quello di figura 18).

Figura 19: la pagina “3rd Order Low Pas”s è un foglio di calcolo all’interno del quale è possibile dimensionare un filtro passa-basso del terzo ordine realizzato intorno al chip LT1567

Figura 19: la pagina “3rd Order Low Pas”s è un foglio di calcolo all’interno del quale è possibile dimensionare un filtro passa-basso del terzo ordine realizzato intorno al chip LT1567

 

Figura 20: la pagina “2nd Order Band Pass” è un foglio di calcolo all’interno del quale è possibile dimensionare un filtro passa-banda del secondo ordine realizzato intorno al chip LT1567. Si notino le differenze circuitali con la configurazione passa-basso di figura 18

Figura 20: la pagina “2nd Order Band Pass” è un foglio di calcolo all’interno del quale è possibile dimensionare un filtro passa-banda del secondo ordine realizzato intorno al chip LT1567. Si notino le differenze circuitali con la configurazione passa-basso di figura 18

La pagina “2nd Order Band Pass” mostra invece un circuito topologicamente differente in quanto chiamato a svolgere la funzione di filtro passa-banda. A tale proposito è interessante osservare come la topologia circuitale sia identica a quella del filtro passa-basso del secondo ordine, con la differenza che alcune capacità e resistenze, come è facile intuire, scambiamo la loro posizione. All’interno della pagina “LT1567 Filter Design” (figura 21) è possibile visualizzare un foglio riassuntivo di tutti i parametri caratteristici dei filtri implementati secondo quanto fin qui esposto. La semplicità e l’essenzialità strutturale del foglio di calcolo lo rendono estremamente semplice e immediato da utilizzare senza la necessità di alcuna guida specifica.

Figura 21: all’interno della pagina LT1567 Filter Design sono riportati i dati e i risultati del calcolo inerenti il dimensionamento dei circuiti di filtro cui sono riservate le pagine descritte nelle precedenti figure 18, 19 e 20

Figura 21: all’interno della pagina LT1567 Filter Design sono riportati i dati e i risultati del calcolo inerenti il dimensionamento dei circuiti di filtro cui sono riservate le pagine descritte nelle precedenti figure 18, 19 e 20

LT1568 FILTER DESIGN (VER. 2.813)

LT1568 Filter Design è un foglio di calcolo analogo a quello mostrato nel precedente paragrafo per il chip LT1567. La schermata principale (figura 22) mostra la topologia del circuito che impiega il chip per la realizzazione del desiderato filtro passa-basso o passa-banda sul cui ordine daremo a breve maggiori dettagli. All’interno della stessa schermata è possibile assegnare un titolo al circuito al fine di meglio individuare, anche successivamente, il progetto in questione.

Figura 22: pagina principale del foglio di calcolo “LT1568 Active Fileter Design Tool”. Si noti la struttura generale del filtro, l’area in cui inserire il titolo del progetto e il pulsante di avvio della configurazione automatica del circuito

Figura 22: pagina principale del foglio di calcolo “LT1568 Active Filter Design Tool”. Si noti la struttura generale del filtro, l’area in cui inserire il titolo del progetto e il pulsante di avvio della configurazione automatica del circuito

Il foglio di calcolo è in realtà leggermente più articolato rispetto a quello dell’LT1567 Filter Design. L’avvio del progetto del filtro è realizzato attraverso il pulsante “New Design” (figura 22) che determina la comparsa del pannello “Filter Order” (figura 23) all’interno del quale è possibile scegliere il tipo di filtro che si intende realizzare tra una serie di opzioni proposte:

  • One or two 2nd or 3rd Order Filters (figura 20)
  • One 4th Order Low Pass or Band Pass Filter
  • One 5th Order Custom Low Pass Fil-
Figura 23: con il tasto “New Design” è possibile avviare il disegno automatico del filtro. Tra i diversi percorsi resi disonibili all’interno del pannello “Filter Order” vi sono: “One or two 2nd or 3rd Order Filters”, “One 4th Order Low Pass or Band Pass Filter” e “One 5th Order Custom Low Pass Filter”

Figura 23: con il tasto “New Design” è possibile avviare il disegno automatico del filtro. Tra i diversi percorsi resi disonibili all’interno del pannello “Filter Order” vi sono: “One or two 2nd or 3rd Order Filters”, “One 4th Order Low Pass or Band Pass Filter” e “One 5th Order Custom Low Pass Filter”

Si tratta delle opzioni possibili dettate direttamente dalla struttura interna del chip LT1568. Accedendo all’opzione appropriata è possibile seguire un percorso guidato di inserimento dati che porta alla configurazione del filtro attivo desiderato. A seconda della scelta effettuata all’interno del pannello “Filter Order” è possibile intraprendere una diversa e specifica strada di progetto che porta all determinazione di tutti i componenti che compongono il circuito di filtro. La figura 24 è una rappresentazione che esemplifica concettualmente, sebbene parzialmente, acuni dei diversi percorsi di progetto che è possibile seguire.

Figura 24: a seconda della scelta effettuata all’interno del pannello “Filter Order” è possibile intraprendere una diversa strada di progetto che porta alla determinazione dello schema elettrico del filtro attivo e dei valori di tutti i componenti passivi esterni che compongono il circuito

Figura 24: a seconda della scelta effettuata all’interno del pannello “Filter Order” è possibile intraprendere una diversa strada di progetto che porta alla determinazione dello schema elettrico del filtro attivo e dei valori di tutti i componenti passivi esterni che compongono il circuito

Anche in questo caso si tratta di un foglio di calcolo abbastanza essenziale sebbene più articolato di quello relativo all’LT1567 data la maggiore flessibilità del chip LT1568 e la più ampia gamma di filtri che è possibile configurare attraverso il suo impiego. In ogni caso è sufficiente avere le nozioni basilari sulla progettazione dei filtri ovvero che cosa sia l’ordine di un filtro, che cosa sia una approssimazione di Butterworth, Chebyshev o Bessel e le implicazioni che queste comportano sulla caratteristica ingresso-uscita del filtro stesso per destreggiarsi con sufficiente immediatezza all’interno di questi percorsi di progetto senza la necessità di eseguire alcun calcolo diretto e senza la necessità ancora una volta di disporre di alcuna guida specifica per l’uso. Alla fine del percorso di progetto, il foglio di calcolo propone sia la struttura topologica del circuito di filtro rispondente ai dati di specifica imposti, sia la configurazione interna dello stesso chip, accompagnata da una tabella in cui sono riportati i valori di tutti i componenti esterni (figura 25). Al fine di disporre di uno schema maggiormente fruibile nella realizzazione pratica del circuito è possibile accedere, attraverso il pulsante “Draw Schematic”, a una rappresentazione dello stesso che riporta il chip in una forma che ne evidenzia il pin-out (figura 25). Anche all’interno di quest’ultimo schema sono riportati automaticamente i valori dei componenti passivi esterni che concorrono con il chip LT1568 a formare il circuito filtro. All’interno di quest’ultima pagina è infine possibile utilizzare il pulsante “Return to Design Page” per tornare alla pagina principale.

Figura 25: qualunque percorso di progetto si sia seguito all’interno del foglio di calcolo LT 1568 Filter Design, alla fine di esso si giunge al dimensionamento di tutti i componenti passivi esterni che concorrono a comporre il circuito di filtro e alla presentazione a video del circuito completamente dimensionato

Figura 25: qualunque percorso di progetto si sia seguito all’interno del foglio di calcolo LT 1568 Filter Design, alla fine di esso si giunge al dimensionamento di tutti i componenti passivi esterni che concorrono a comporre il circuito di filtro e alla presentazione a video del circuito completamente dimensionato

CONCLUSIONI E APPROFONDIMENTI

Come mostrato nel presente articolo, quando si realizza un circuito di filtro analogico attivo è possibile non solo utilizzare amplificatori operazionali general-purpose, ma anche chip pensati in maniera specifica per questo tipo di applicazioni, specie se si desidera realizzare filtri che rispondano a specifiche ben precise in termini di rumore (low-noise), banda (high-frequency) e flessibilità di configurazione. I chip LT1567 e LT 1568 di Analog Devices, pur integrando semplici operazionali possono risultare maggiormente adeguati alla realizzazione di filtri analogici attivi in svariate applicazioni proprio perché presentano queste specifiche caratteristiche. La possibilità di realizzare filtri passa-basso e passa-banda di basso ordine con notevole flessibilità e semplicità, con l’aggiunta di pochi componenti esterni e la disponibilità dei fogli di calcolo LT 1567 Design ed LT 1568 Design, direttamente scaricabili dal sito di Analog Devices, rendono il dimensionamento semplice, veloce e pratico sia a tecnici e ingegneri sia a semplici appassionati di elettronica. Il presente articolo dovrebbe essere risultato sufficiente a comprendere sia le potenzialità di questi chip sia la praticità dei relativi tool di dimensionamento. Consigliamo al lettore di accedere direttamente al sito web di Analog Devices (https://www.analog.com/en/products.html) al fine di scaricare e visionare direttamente non solo i datasheet e le application notes di questi componenti e delle relative demo board ma anche gli stessi fogli di calcolo LT Filter Design. Rimandiano al paragrafo “Riferimenti Bibliografici” per un’elenco dettagliato dei suddetti documenti che sono stati di riferimento anche e soprattutto per la stesura del presente articolo.

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Una risposta

  1. davide.balducci davide.balducci 29 Marzo 2020

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