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抗混淆濾波器放大器的選擇

發(fā)布時(shí)間:2008-11-01

中心論題:

  • 如何選擇抗混淆濾波器的放大器
  • 如何考慮增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率

解決方案:

  • 確定截止頻率
  • 評(píng)估轉(zhuǎn)換速率

 

對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí),在該模擬信號(hào)到達(dá)ADC之前可使用一款低通濾波器來(lái)阻止帶外噪聲混淆錯(cuò)誤的發(fā)生,并防止模擬信號(hào)出現(xiàn)疊加性高頻噪聲。如果輸入信號(hào)噪聲超過(guò)轉(zhuǎn)換器采樣頻率的二分之一,那么其噪聲幅度保持不變,但是信號(hào)出現(xiàn)混淆時(shí)頻率就會(huì)改變。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化以后,您就無(wú)法再通過(guò)使用一款數(shù)字濾波器來(lái)降低帶內(nèi)噪聲。因此,您必須要記住這樣一條經(jīng)驗(yàn)法則:“無(wú)用輸入;無(wú)用輸出”。
  
為一個(gè)有源低通濾波器電路選擇正確的運(yùn)算放大器(op amp)是重中之重,特別是當(dāng)您通讀放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)并瀏覽所有相關(guān)規(guī)范時(shí)。我于數(shù)天前閱讀了放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū),該產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)竟然一共有24條規(guī)范!事實(shí)上,在為您的有源低通濾波器選擇合適的放大器時(shí),在開(kāi)始階段只需要考慮2條重要規(guī)范。一旦您根據(jù)這兩條規(guī)范選定放大器以后,在做出最終決定以前,還有兩條規(guī)范是您需要考慮到的。
 
有源二階低通濾波器中最常使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是:(1)非反相Sallen-Key結(jié)構(gòu)以及(2)反相多反饋結(jié)構(gòu)[1]。如果您需要的是一款更高階濾波器,那么可以對(duì)以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。在設(shè)計(jì)中使用以上任一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),您在一開(kāi)始就應(yīng)該考慮到的兩個(gè)運(yùn)算放大器規(guī)范分別為:(1)增益帶寬乘積以及(2)轉(zhuǎn)換速率。在選擇放大器之前,要先確定濾波器截止頻率(fCUT),亦稱(chēng)為–3 dB頻率。濾波器設(shè)計(jì)方案,如FilterProTM [3],可用于確定濾波器的電容和電阻值。
  
在確定截止頻率大小后,選擇一款具有合理帶寬的放大器就比較容易了。當(dāng)Q < 1(見(jiàn)圖1)時(shí),放大器(fAMP)的增益帶寬乘積必須最少為100 x增益x fCUTx ki。當(dāng)Q > 1時(shí),fAMP= 100 x增益x (fCUT/ai) xÖ[(Qi2– 0.5)/(Qi2– 0.25)],其中,在微分濾波器(partial filter)傳輸函數(shù)中,ai為ith的系數(shù),同時(shí)Qi為ith微分濾波器的分解因子(quality factor)。運(yùn)算放大器的增益帶寬乘積可以參見(jiàn)各個(gè)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規(guī)格表。
 
除了要注意帶寬,您還應(yīng)該對(duì)放大器轉(zhuǎn)換速率的影響進(jìn)行評(píng)估。這樣可以確保您的濾波器不會(huì)由于轉(zhuǎn)換限制而產(chǎn)生信號(hào)失真。放大器轉(zhuǎn)換速率取決于內(nèi)部IC電流及電容。當(dāng)較大的信號(hào)在放大器中進(jìn)行傳輸時(shí),內(nèi)部電流將對(duì)這些內(nèi)部電容進(jìn)行充電。這個(gè)充電過(guò)程的速度取決于放大器內(nèi)部電阻值、電容容量和電流強(qiáng)度。為了確保您的有源濾波器沒(méi)有處在一個(gè)轉(zhuǎn)換狀態(tài)下,應(yīng)選擇一款轉(zhuǎn)換速率≥(πVOUT P-PfCUT)的放大器,這種情況下,VOUT P-P表示在濾波器的截止頻率以下達(dá)到預(yù)期的峰至峰輸出電壓擺幅。
  
在使用Sallen-Key濾波器電路時(shí),另外兩種規(guī)范也會(huì)對(duì)您的濾波器電路產(chǎn)生影響,即輸入共模電壓范圍(VCMR)和輸入偏置電流(IB)。在Sallen-Key這種配置中,VCMR會(huì)限定您的輸入信號(hào)的范圍。此外,輸入偏置電流還會(huì)對(duì)外部電源電阻進(jìn)行導(dǎo)電。由IB誤差產(chǎn)生的壓降會(huì)以一個(gè)額外輸入偏置電壓的形式出現(xiàn)。同時(shí),需注意該電路有高頻饋通。
  
通過(guò)遵循這些簡(jiǎn)單的指南,您會(huì)發(fā)現(xiàn)成功地設(shè)計(jì)一款高效的低通濾波器并不困難,并且您很快就會(huì)得到一款高效的電路。 

 

圖1通過(guò)級(jí)聯(lián)一階和/或二階濾波器您可以構(gòu)建一款多階模擬濾波器。您可以利用濾波器系數(shù)計(jì)算出放大器所需的帶寬

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