為低通濾波器選擇合適的放大器

作者：■ Microchip公司 Bonnie C. Baker 時(shí)間：2005-03-04 來(lái)源：電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2004年第12期

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫(kù)查詢

為有源低通濾波器選擇合適的單電源運(yùn)算放大器是件麻煩的事，因?yàn)橐屑?xì)閱讀各種放大器產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)，還要查閱各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。例如，Microchip公司的5MHz單電源MCP6281/2/3/4數(shù)據(jù)手冊(cè)就有24種直流與交流參數(shù)。而實(shí)際上，為有源低通濾波器選擇放大器時(shí)，最初只需考慮兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)選擇了放大器后，再考慮另外兩個(gè)參數(shù)，就能做出最終選擇。本文將指出這些重要的放大器參數(shù)，并討論如何為濾波器選擇合適的放大器。
幾乎所有的電子電路中都有模擬濾波器。音頻系統(tǒng)用它來(lái)實(shí)現(xiàn)前置放大和均衡功能，而在通信系統(tǒng)中，濾波器則用來(lái)對(duì)特定頻率進(jìn)行調(diào)諧，并過(guò)濾掉其它頻率。然而，如圖1所示，模擬信號(hào)被數(shù)字化后，低通濾波器常被用于過(guò)濾帶外噪聲與干擾帶來(lái)的混疊誤差。模擬濾波過(guò)程能夠在模擬信號(hào)到達(dá)ADC之前過(guò)濾掉夾雜在信號(hào)中的高頻噪聲，其中還包括低電平噪聲以及外部的峰值噪聲，每一個(gè)進(jìn)入ADC的信號(hào)都被數(shù)字化了。假如信號(hào)超過(guò)轉(zhuǎn)換器采樣頻率的一半，其幅值能被可靠地轉(zhuǎn)換，而其頻率由于信號(hào)混入數(shù)字輸出而改變。這時(shí)，在信號(hào)數(shù)字化后使用數(shù)字濾波器就可以降低噪聲。
二階有源低通濾波器最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。圖2是非反相Sallen-Key低通濾波器，輸入信號(hào)不被反相。圖3是二階多反饋低通濾波器，在這一電路中，輸入信號(hào)反相后與參考電壓VREF相加。如果需要采用更高階濾波器，可以將兩個(gè)電路級(jí)聯(lián)。
設(shè)計(jì)濾波器時(shí)最初要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是增益帶寬積(GBWP)和轉(zhuǎn)換率。在選擇放大器之前，應(yīng)該先確定濾波器的截止頻率(fC)，即濾波器在這個(gè)頻率處開(kāi)始衰減信號(hào)，有時(shí)也把這個(gè)頻率稱為通帶頻率。該步驟完成后，就可以運(yùn)用濾波器設(shè)計(jì)軟件程序，如FilterLab模擬濾波軟件工具來(lái)確定電容和電阻值了。
確定了截止頻率以后，選擇帶寬合適的放大器就很容易了。放大器的閉環(huán)帶寬必須至少比濾波器的截止頻率高100倍。如果采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，濾波器的增益為+1V/V，可以利用下面的公式：
GBWP≥100*fC.
如果采用多反饋結(jié)構(gòu)，應(yīng)運(yùn)用下列公式：GBWP≥100 * (-GCLI + 1) * fC ，其中GCLI為閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)增益。
例如：配置轉(zhuǎn)角頻率為10kHz，增益為+1V/V的Sallen-Key結(jié)構(gòu)低通濾波器電路需要放大器的GBWP大于1MHz。因?yàn)镸CP6281/2/3/4放大器的GBWP為5MHz(典型值)，因此可以用于這種濾波器電路。
除要注意放大器的帶寬外，還必須對(duì)轉(zhuǎn)換率進(jìn)行估算，以保證濾波器不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。放大器轉(zhuǎn)換率是由內(nèi)部電流和電容決定的。當(dāng)大信號(hào)通過(guò)放大器時(shí)，適當(dāng)電流會(huì)對(duì)這些內(nèi)部電容充電。充電速度取決于放大器的內(nèi)部電阻、電容和電流值。為確保有源濾波器正確運(yùn)作，所選的有源放大器的轉(zhuǎn)換率應(yīng)為：
轉(zhuǎn)換率≥ (2p*VOUT P-P*fC),
在這里VOUT P-P為頻率低于fC情況時(shí)期望的輸出電壓峰-峰值。
回到上面的例子，在應(yīng)用當(dāng)中，單電源環(huán)境要求輸出峰值電壓達(dá)到~5V。這種性能要求決定了低通濾波器中的放大器轉(zhuǎn)換率≥0.314V/ms。MCP6281/2/3/4放大器系列的專(zhuān)用轉(zhuǎn)換率是2.5V/ms。完全滿足這種濾波器轉(zhuǎn)換率要求。
影響濾波器電路的二階參數(shù)有兩個(gè)，即Sallen-Key結(jié)構(gòu)電路的輸入共模電壓范圍(VCMR)和輸入偏置電流(IB)。在Sallen-Key結(jié)構(gòu)中，VCMR會(huì)限制輸入信號(hào)的范圍。IB描述了放大器引腳的進(jìn)出電流量。如果使用Sallen-Key結(jié)構(gòu)濾波器(如圖2所示)，放大器輸入偏置電流將通過(guò)R2，由這個(gè)誤差產(chǎn)生的電壓降會(huì)表現(xiàn)為輸入補(bǔ)償電壓和輸入噪聲源。更關(guān)鍵的是，納安或微安范圍的高輸入偏置電流要求降低電路中的電阻值，為此，就要增加電容值，以滿足濾波器截止頻率的要求。然而，大電容無(wú)論是從成本上，還是從精度或是體積上都是不可取的。因此，較低轉(zhuǎn)角頻率的濾波器更需要CMOS放大器而不是雙極放大器。
如果遵循以上原則，那么設(shè)計(jì)一個(gè)成功的低通濾波器并非難事，而且很快就會(huì)擁有一個(gè)性能良好的工作電路?！?/span>

濾波器相關(guān)文章:濾波器原理

路由器相關(guān)文章:路由器工作原理

低通濾波器相關(guān)文章:低通濾波器原理

電源濾波器相關(guān)文章:電源濾波器原理

數(shù)字濾波器相關(guān)文章:數(shù)字濾波器原理