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突破有源滤波器设计误区 改进基于分立运算放大器的设计

作者:Michael Steffes时间:2011-10-12来源:电子产品世界收藏

  自 1955 年麻省理工学院林肯实验室的 R.P. Sallen 和 E.L. Key 提出著名的 Sallen Key 低通 (SKF) 拓扑以来(参考资料 1),人们对其进行了大量分析。如果您在分析中做出不同的假设,就会得到迥然不同的结果。几乎所有假设都是将实现方案限制在以下两种或一种条件下:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/124369.htm

  1. 运算放大器增益为1

  2. 等电阻 (R) 或等电容 (C)

  此外,如果实施多级,那么大多数增益都位于最早的各级上。在此假定情况下,我们不见得总能获得较好的结果。不过现有资料和大多数在线设计工具普遍采用这种假设,从而形成了一种设计误区。

  这种误区是怎么出现的呢?对单个二阶级阶而言,设计人员实际只关注三个性能参数:DC 增益、ω0(二阶极点对的特性频率)以及Q(极点复杂度)。不过,电路会涉及 5 种参数,包括两个电阻、两个电容和一个放大器增益。将您的设计流程限定为单位增益和等电容设计(学术上的常用方法),就可以减少两个未知参数。您只要选择您要的等电容值后,就可以得到 ω0 和 Q 唯一对应的一组电阻值。许多作者也认为,等电容有助于改进电容匹配,尤其是对 IC 实施工作大有裨益。此外,在早期阶段,提高放大器速度以满足可靠实施的要求,同时又不造成明显的产品差别,这可不是一件简单的事。单位增益显然能帮助我们实现这一目的。

  过去 25 年来,运算放大器和无源技术取得了重大进步。单位增益稳定且带宽超过1GHz的低功耗/低成本电压反馈 (VFA) 运算放大器已经推出。电流反馈运算放大器 (CFA) 作用更突出,能针对增益保持相对稳定的带宽,因此在需要增益的 SKF 阶段尤其重要。带宽超过 500MHz 且增益介于 1 - 10 之间的低功耗、低成本 CFA 现已推出。有人说 CFA 拓扑不能用于有源滤波器电路。这就好像古人认为看到美杜沙就会变成石头一样,这种荒诞的说法散播无谓的担心,实际上CFA 技术在 SKF 低通阶段非常有用。最终,低成本的低温漂移 C0G 介质、1% 的 MLCC 电容等也已经推出。

  由于SKF 构建块有了上述提高,终于到了突破传统约束、推出更出色解决方案的时候了。由于电阻和电容的绝对精度已经提高,较大范围增益上的放大器带宽目前也大为改进,我们迎来了突破低增益或单位增益、等电容或等电阻认识误区的时刻,可以集中精力解决 SKF 内更重要的问题。考虑到 SKF 滤波器约束条件不足,我们仍要认识到对于相同的目标 ω0 和 Q 值,有无限种R和C的组合(如果您已经有了放大器低频增益的具体目标)。随后一个重要问题就是通过电阻和电容的选择来提高通带的动态范围。选择的条件是两个滤波器电阻增加的噪声不会加入运算放大器产生的噪声,而且 SKF 滤波器内的“噪声增益”也不会超过目标滤波器极点所产生的噪声。上述两种条件引出了低噪声和低失真解决方案,并让电阻本身保持较低(参考资料2),比例为0.15 - 0.7(这是输入电阻与提供运算放大器输入的二阶电阻之比)。限制电阻之和避免影响噪声,限制比值以降低噪声增益峰值,这样我们只需解决 2 个电容就能得到理想的滤波整形。近期有作者指出,目标电阻比值也会向更好的敏感度和增益容限方向发展(参考资料 3)。

  SKF 回路增益中的噪声增益峰值问题也会带来与通常所说情况不同的多级滤波器增益排序。我们经常在第一级中看到大多数增益,如果低频点噪声是总输出整体噪声 (integrated noise) 的主要成因的话,这种情况就是正确的。如果是SKF 内部隐藏的噪声增益峰值占主导,那么多级滤波器中最高 Q 值级首先应放在较低的放大器增益上。这就会在第一级输出处形成较大的噪声峰值。我们还要注意到,此时第一级中要求较大 DC 增益是错误的。这个较大的噪声峰值会被后续低 Q 值、高增益、各级“滤除”。输出点和整体噪声的比较仿真已经验证了这种方法(参考资料 4)。

  虽然关于 SKF 滤波器的资料已经非常之多,但大多数资料都是讨论 IC 实施的(低电容值和匹配电容值),而且很多资料的写作时间都早于宽带运算放大器和低成本高精度 SMD 电容上市前。我们应当充分发挥目前 SKF 设计元素的出色性能,突破认识误区,改进动态范围设计。

  参考资料1——Sallen,R. P.;E. L. Key(1955-03)“设计 RC 有源滤波器的实用方法”,IRE Transactions on Circuit Theory 2 (1): 74–85 页。

  参考资料2—— 的 iSim Active Filter Designer 设计工具 http://www.intersil.com/iSim

  参考资料3——“一组新的 Sallen-Key 滤波器方程”,Martin Cano,EDN,2009年10月1日

  参考资料4——内部报告,“八阶 Butterworth 示例,反映增益和 Q 排序对输出噪声的影响”,请见:msteffes@intersil.com



关键词: Intersil 滤波器 混SKF

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