Design und Simulation von Tiefpassfilterschaltungen für Ihre Leiterplatte

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 10, 2021
Anatomie einer Tiefpassfilterschaltung

Viele Ingenieure führen grundlegende Berechnungen von Hand durch, um ihre Filter- und Verstärkerschaltungen zu verstehen. Für komplexe Schaltungen, die nicht den standardmäßigen Reihen- und Parallel-Regeln folgen oder die nichtlineare Komponenten wie Dioden und Transistoren verwenden, sind jedoch anspruchsvollere Methoden erforderlich. Daher benötigen Designer eine einfach zu bedienende, aber leistungsstarke Simulationsanwendung, die sie beim Design und der Simulation von Filtern unterstützt.

Bei manchen Programmen ist die Durchführung von Simulationen schwierig. Altium Designer hingegen fördert Ihre Produktivität, indem es einen modernen SPICE-Simulator direkt in Ihre Schaltplan-Design-Tools integriert. So können Sie ganz einfach eine Tiefpassfilterschaltung erstellen und simulieren, oder eine Tiefpassfilterschaltung in ein größeres System einbinden. Mit Altium Designer können Sie Ihren Bauteilen auch Simulationsmodelle zuweisen. Somit erhalten Sie eine vollständige Simulations- und Schaltungsdesignlösung in einer einzigen Anwendung.

ALTIUM DESIGNER®

Die einzige PCB-Design-Anwendung mit branchenführenden Simulationsfunktionen und Tools zur Bauteilverwaltung in einem einzigen Programm.

Schaltungssimulationen sind ein wesentlicher Bestandteil der Elektrotechnik, und es gibt ein ganzes Industriesegment, das sich mit der Entwicklung von Simulationstools und Arbeitsabläufen beschäftigt. Zwar kann heutzutage fast alles in einem PCB-Layout simuliert werden, aber die Simulation von komplexen Schaltungen muss oft lange vor der Erstellung eines PCB-Layouts erfolgen. Da Schaltungssimulationen so elementar für das PCB-Design und die Entwicklung sind, benötigen Designer während des Designprozesses einen schnellen und unkomplizierten Zugang zu SPICE-Simulatoren.

Eine Tiefpassfilterschaltung ist eine grundlegende Schaltung, die in vielen größeren Schaltungsblöcken eines komplizierten Systems verwendet wird. Tatsächlich können aus einer Tiefpassfilterschaltung durch die einfache Transformation der Frequenzbereichsdaten alle anderen grundlegenden Filterschaltungen generiert werden. Um die Designer bei der Erstellung und Simulation ihrer Filterschaltungen zu unterstützen, enthält Altium Designer in seinem Schaltplaneditor einen leistungsstarken SPICE-Simulator. Designer, die Altium Designer verwenden, erhalten neben dem Simulator zudem Zugriff auf Tools für die Erstellung von Bauteilen und die Verwaltung von Spitzentechnologie.

Anatomie einer Tiefpassfilterschaltung

Eine Tiefpassfilterschaltung lässt nur Frequenzen unterhalb einer Schaltungsgrenzfrequenz in einen Lastkreis. Der einfachste Typ einer Tiefpassfilterschaltung ist eine RC-Schaltung, bei der der Kondensator über die Eingangsklemmen einer Empfängerschaltung geschaltet ist. Auf diese Weise leitet der Kondensator hohe Frequenzen nach Masse ab, während niedrige Frequenzen bis hinunter zu Gleichstrom in den Empfänger gelangen können. Designer arbeiten in der Regel mit der Übertragungsfunktion und können die Eigenschaften des Tiefpassfilters in einem Bode-Diagramm visualisieren.

Tiefpassfilterschaltung Bode-Diagramm

Dieses Diagramm zeigt die Größe der Übertragungsfunktion für einen Tiefpassfilter. Rote Kurve: idealer Frequenzgang; grüne Kurve: Frequenzgang 1. Ordnung; blaue Kurve: Frequenzgang 2. Ordnung.

Komplexe Tiefpassfilterschaltungen können mehrere Filterstufen haben oder nichtlineare Bauteile enthalten, die eine Gleichrichtung oder Kapazitätsvervielfachung bieten. Sie können auch eine einzelne Stufe in einem vielschichtigen Filter sein. Es ist schwierig, den Frequenzgang dieser komplexen Tiefpassfilter manuell zu berechnen, daher werden Schaltungsdesign- und Simulationstools verwendet, um SPICE-Simulationen des Schaltungsverhaltens durchzuführen. Die beste Simulations-Engine kann direkt in Ihre Schaltplan-Design-Tools integriert werden.

Andere Arten von Filterschaltungen und Verstärkern

Die gleichen Bauteile, die Sie für den Aufbau einer Tiefpassfilterschaltung verwenden, können auch für den Aufbau eines Hochpass-, Bandpass-, Bandsperr-/Notch- oder Multibandfilters eingesetzt werden. Die Topologie und Anordnung der Bauteile kann unterschiedlich sein, aber Designer können generische Bauteile verwenden, um mit ihren Filterschaltungen zu experimentieren. Die Simulations-Engine kann dann verwendet werden, um den Frequenzgang der Schaltung, die Eingangs-/Ausgangsimpedanz und andere Signalintegritätsmetriken zu bestimmen.

Verstärkerschaltungen sind Filterschaltungen insofern ähnlich, als dass sie entgegengesetzte Funktionen ausführen. Die gleichen Tools, die zum Entwerfen und Simulieren von Filtern verwendet werden, können auch für Verstärker eingesetzt werden. Für aktive Filterschaltungen und aktive Verstärkerschaltungen benötigen Designer genaue Simulationsmodelle für ihre Bauteile, um das elektrische Verhalten in einer größeren Schaltung richtig zu modellieren. Das beste Design-Toolset gibt Ingenieuren Zugriff auf alle Funktionen und Bauteile, die sie für das Design und die Simulation ihrer Filterschaltungen benötigen.

  • Die Verstärker- oder Filterschaltung, die Sie für die Simulation verwenden, muss in einem Schaltplanblatt erstellt werden. Mit Altium Designer können Sie eine SPICE-Simulation ganz einfach direkt aus den Schaltplänen in Ihren Schaltplanblättern erstellen.

    Sehen Sie sich bewährte Praktiken für die Erstellung eines Schaltplans in Altium Designer an.

  • Sobald Sie Ihre Bauteile erstellt und in Ihren Schaltungen platziert haben, ist eine der ersten Simulationen die Transientenanalyse.

Tiefpassfilterschaltung

Der Schaltplaneditor in Altium Designer gibt Benutzern Zugang zu Bauteilbibliotheken und Simulationsmodellen zur Erstellung einer Vielzahl von Schaltungen, einschließlich Filtern und Verstärkern.

Tools zur Erstellung und Simulation von Filtern und Verstärkerschaltungen

Filter und Verstärker arbeiten nach demselben Prinzip und sind im Grunde genommen umgekehrte Schaltungen voneinander: Filter sorgen für eine Dämpfung, während Verstärker für eine Verstärkung sorgen. Die zum Erstellen dieser Schaltungen verwendeten Design-Tools sind die gleichen, und Designer müssen die Bauteile in ihren Schaltplänen lediglich richtig anordnen, um eine grundlegende Verstärker- oder Filterschaltungen zu erzeugen. Schaltungsdesigner können auf Bauteile aus Bauteilbibliotheken zugreifen oder Bauteile mit proprietären elektrischen Modellen erstellen. Diese Aufgabe erfordert jedoch die richtige Designanwendung.

Zusätzlich zu einem Design-Toolset benötigen Designer eine einfache Möglichkeit, um auf Bauteildaten zuzugreifen und ihren Bauteilen Simulationsmodelle zuzuweisen. Einfache Filter- und Verstärkerschaltungen mögen mit generischen passiven Bauteilen gut funktionieren, aber echte Schaltungen benötigen Bauteile mit realistischen Simulationsmodellen. Die beste Schaltungssimulationsanwendung ermöglicht es Entwicklern, SPICE-Teilschaltungen zu erstellen, Simulationsmodelle für integrierte Schaltungen hinzuzufügen und Modelle für nichtlineare Bauteile wie Transistoren zu entwerfen.

Zugriff auf verifizierte Bauteile über Altium Designer

Die Stärke von Altium Designer liegt in der Vereinheitlichung von Schaltungsdesign, PCB-Layout und Datenmanagement-Tools. Altium Designer-Anwender können auf die Bauteildaten ihrer Schaltungen zugreifen, einschließlich Schaltplansymbolen und Simulationsmodellen. Dies geschieht über das Panel "Manufacturer Part Search", das den Anwendern einen vollständigen Überblick über die PCB-Lieferkette bietet. Das Beste daran ist, dass Designteams dank der Lieferketten-Funktionen von Altium Designer Bauteile mit PCB-Footprints finden und auf aktualisierte Beschaffungsdaten zugreifen können.

PCB-Lieferkette

Das Panel "Manufacturer Part Search" in Altium Designer bietet Ihnen Zugriff auf Bauteile, die Sie in Ihren Schaltplänen, Ihrem PCB-Layout und Ihren Schaltungssimulationen verwenden können.

Speichern und verwalten Sie Ihre Bauteil- und Simulationsdaten

Sobald Sie Ihre Schaltungen erstellt und Simulationen vorbereitet haben, können Sie eine beträchtliche Datenmenge aus Ihren Schaltungsdesigns generieren. Alle Standardsimulationen, die Sie in anderen kommerziellen Programmen finden, sind im Schaltplaneditor von Altium Designer enthalten. Benutzer können die folgenden Standardsimulationsaufgaben in einer benutzerfreundlichen Oberfläche durchführen:

  • Transientenanalyse
  • Frequenz-Sweeps und Berechnung der Übertragungsfunktion
  • Parameter-Sweeps, wie z. B. Bauteilwerte
  • Fourier-Analyse von Daten im Zeitbereich
  • Geräuschanalyse
  • DC-Sweeps
  • Pol-Nullstellen-Analyse

Um diese Simulationen mit einer Schaltung durchzuführen, ist neben leistungsstarken Simulationstools ein vollständiges Funktionsset für den Zugriff auf Bauteildaten und deren Verwaltung erforderlich. Sie müssen für Ihre Filterschaltungen aber nicht jedes Bauteil selbst erstellen. Nutzen Sie die Altium 365-Plattform, um auf Bauteilmodelle innerhalb von Altium Designer zuzugreifen.

Vollständiges Design-Management in Altium Designer und Altium 365

Altium Designer und Altium 365 bilden ein komplettes PCB-Design-Ökosystem für die Entwicklung von Schaltungen, die Erstellung hochwertiger Leiterplattenlayouts und die Verwaltung von Designdaten. Altium Designer enthält alles, was Sie für das Design und Layout einer neuen Leiterplatte benötigen, und über die Altium 365-Plattform können Sie die Projektdaten einfach freigeben und verwalten. Keine andere Designplattform bietet all diese Funktionen in einer einzigen leistungsstarken Anwendung.

Benutzeroberfläche des Schaltplaneditors in Altium Designer

Mit der Altium 365-Plattform können Sie alle Ihre Altium Designer-Bibliotheken und -Projekte mit anderen Mitarbeitern teilen.

Die Zeiten, in denen separate Programme für Schaltungsdesign und -analyse verwendet wurden, sind vorbei. Übernehmen Sie die Kontrolle über Ihre Tiefpassfilter-Schaltungsdesigns, Simulationsmodelle und Bauteildaten in Altium Designer und Altium 365. Keine andere Design-Anwendung bietet diese Art von vernetztem, kollaborativem PCB-Design-Erlebnis.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine beispiellose Integration für die Elektronikindustrie, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorenthalten war, und ermöglicht es den Designern, von zu Hause aus zu arbeiten und ein noch nie dagewesenes Maß an Effizienz zu erreichen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was man mit Altium Designer auf Altium 365 machen kann. Lesen Sie auf der Produktseite eine ausführliche Beschreibung der Funktionen oder nehmen Sie an einem der On-Demand Webinare teil.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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