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为低通滤波器选择合适的放大器

作者:■ Microchip公司 Bonnie C. Baker时间:2005-03-04来源:电子设计应用2004年第12期收藏
为有源低通滤波器选择合适的单运算是件麻烦的事,因为要仔细阅读各种产品的数据手册,还要查阅各项技术参数。例如,公司的5MHz单MCP6281/2/3/4数据手册就有24种直流与交流参数。而实际上,为有源低通滤波器选择时,最初只需考虑两个参数。根据这两个参数选择了后,再考虑另外两个参数,就能做出最终选择。本文将指出这些重要的参数,并讨论如何为滤波器选择合适的放大器。
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,低通滤波器常被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,其中还包括低电平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。假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电压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模拟滤波软件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。放大器的闭环带宽必须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MCP6281/2/3/4放大器的GBWP为5MHz(典型值),因此可以用于这种滤波器电路。
除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≥ (2p*VOUT  P-P*fC),
在这里VOUT  P-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/ms。MCP6281/2/3/4放大器系列的专用转换率是2.5V/ms。完全满足这种滤波器转换率要求。
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表现为输入补偿电压和输入噪声源。更关键的是,纳安或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,还是从精度或是体积上都是不可取的。因此,较低转角频率的滤波器更需要CMOS放大器而不是双极放大器。
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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