Design of 2^nd order low–pass active filters by preserving the physical meaning of design variables

F. Sandoval–Ibarra^a, M. Cuesta–Claros^b, R. Moreno–Espinosa^b, E. Ortiz–Levy^b, and L. Palacios–Betancourt^b

^a Centro de Investigación y de Estudios Avanzados–Unidad Guadalajara, Av. Del bosque 1145, Col. El Bajío, 45015 Zapopan, Jalisco, México, e–mail: sandoval@cts–design.com

^b Mecatronics Engineering, Universidad Panamericana–Campus Guadalajara, Calzada Circunvalación Poniente 49, Col. Ciudad Granja, 45010 Zapopan, México.

Abstract

The purpose of this paper is, by one hand, offer to students basics on active filter design by introducing the Butterworth approach as well as some practical examples not only to show the proposed design flow (DF), but also to show that the design flow's stages have physical meaning mainly supported on physical laws. With the help of these laws, further, it is shown how additional filter design specifications can be translated to the physical design without affect neither the design approach nor DF. On the other hand, because any physical implementation suffer of the non–idealities of electronic components, the modeling of some of them based on both experimental results and spice simulations is presented in order to show how unwanted effects may be added to the DF. An advantage of this proposal is that DF preserves the physical meaning of the design variables. The laboratory–based learning adopted in this work has allowed to students be able to understand physical concepts, capture and analyze experimental data, and use design tools in a correct way mainly to avoid "trial and error" approaches.

Keywords: Filters; electric circuits; modeling.

Resumen

El propósito de este artículo es, por un lado, ofrecer a los estudiantes fundamentos del diseño de filtros activos usando la aproximación Butterworth y presentando ejemplos prácticos no solo para mostrar el flujo de diseño propuesto, sino también para mostrar que las etapas del diseño tiene un significado físico que esta soportado en leyes físicas. Con ayuda de esas leyes se muestra como otras especificaciones de diseño del filtro pueden ser incorporadas en el diseño físico sin afectar la aproximación de diseño ni el flujo mismo de diseño. Por otro lado, porque toda implementación física es afectada por las no idealidades de los componentes electrónicos, se presenta el modelado de varios de ellos soportado en datos de simulación spice y resultados experimentales a manera de mostrar como esa información se incorpora al flujo de diseño. Una ventaja de esta propuesta es que se conserva el significado físico de toda variable de diseño. El aprendizaje basado en el trabajo de laboratorio, que es la técnica adoptada en este trabajo, ha permitido a los estudiantes comprender conceptos físicos, capturar y analizar información experimental, y usar herramientas de diseño de manera correcta para evitar aproximaciones tipo "prueba y error".

Descriptores: Filtros; circuitos electrónicos; modelado.

PACS: 84.30.Qi; 84.30.–r; 85.40.Bh

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References

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