为低通滤波器选择合适的放大器 为有源低通滤波器选择合适的单电源运算放大器是件麻烦的事情,因为要仔细阅读各种房子器产品的数据手册,还要查询各项技术参数。例如,Microchip公司的5MHz单电源MCP 几乎所有的电子电路中都有模拟滤波器。音频系统用它来实现前置放大和均衡功能,而在通信系统中,滤波器则用来对特定频率进行调谐,并过滤掉其它频率。然而,如图1所示,模拟信号被数字化后,低通滤波器常用于过滤带外噪声与干扰带来的混叠误差。模拟滤波过程能够在模拟信号到达ADC之前过滤掉夹杂在信号中的高频噪声,其中还包括低频噪声以及外部的峰值噪声,每一个进入ADC的信号都被数字化了。例如信号超过转换器采样频率的一半,其幅值能被可靠地转换,而其频率由于信号混入数字输出而改变。这时,在信号数字化后使用数字滤波器就可以降低噪声。 二阶有源低通滤波器最常见的结构如图2和图3 所示。图2 是非反相Sallen-Key低通滤波器,输入信号不被反相。图3是二阶多反馈低通滤波器,在这一电路中,输入信号反相后与参考信号VREF相加。如果需要采用更高阶滤波器,可以将两个电路级联。 设计滤波器时最初要考虑的两个关键参数是增益带宽积(GBWP)和转换率。在选择放大器之前,应该先确定滤波器的截止频率(fc),即滤波器在这个频率处开始衰减信号,有时也把这个频率称为通带频率。该步骤完成后,就可以运用滤波器设计软件程序,如filterlab模拟滤波器工具来确定电容和电阻值了。 确定了截止频率以后,选择带宽合适的放大器就很容易了。放大器的闭环带宽至少比滤波器的截止频率高100倍。如果采用Sallen-Key结构,滤波器的增益为+1V/V,可以利用下面的公式:GBWP>100*fc。 如果采用多反馈结构,应运用下列公式:GBWP>100*(-GCLI+1)*fc,其中GCLI为闭环系统的负增益。 例如:配置转角频率为10KHz,增益为1V/V的Sallen-Key结构低通滤波器电路需要放大器的GBWP大于1MHz。因为MCP 处要注意放大器的带宽外,还必须对转换率进行估算,以保证滤波器不会产生信号失真。放大器转换率是由内部电流和电容决定的。当大信号通过放大器时,适当电流会对这些内部电容充电。充电速度取决于放大器的内部电阻、电容和电流值。为确保有源滤波器正确运作,所选的有源放大器的转换率应为 转换率>2pi*Voutp-p*fc,在这里Voutp-p为频率低于fc情况时期望的输出电压峰峰值。 回到上面的例子,在应用当中,单电源环境要求输出峰值电压达到5V。这种性能要求决定了低通滤波器中的放大器转换率>0.314V/us.MCP 影响滤波器电路的二阶参数有两个,即Sallen-Key结构电路的输入共模电压范围(VCMR)和输入偏置电流IB。在Sallen-Key结构电路中,VCMR会限制输入信号的范围。Ib描述了放大器引脚的进出电流量。如果使用Sallen-Key结构滤波器,如图2 所示,放大器输入偏置电流将通过R2,由这个误差产生的电压降会变现为输入补偿电压和输入噪声源。更关键的是,纳安或为微安范围的高输入偏置电流要求降低电路中的电阻值,为此,就要增加电容值,以满足滤波器截止频率的要求。然而大电容无论是从成本上,还是从精度或体积上都是不可取的。因此,较低的转角频率滤波器更需要CMOS放大器,而不是双极性放大器。 如果遵循以上原则,那么设计一个成功的低通滤波器并非难事,而且很快就会拥有一个性能良好的工作电路。
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