为滤波电路选择合适的运算放大器

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为滤波电路选择合适的运算放大器

摘自:产通网

作者:Bonnie C. Baker

几乎所有电子电路中都有模拟滤波器。音响系统用它来进行前置放大和信号均衡。通讯系统利用滤波器对特定频率进行调频并排除其它频率。但在模拟信号被数字化后,常用低通滤波器来避免来自频带以外的噪声和干扰产生的混叠误差。

模拟滤波电路可滤除叠加在模拟信号上的高频噪声,使其无法进入模数转换器。特别是低电平噪声和外部噪声尖峰也在滤除之列。任何进入模数转换器的信号均被转换为数字值。如果信号频率超过转换器采样频率的一半,信号幅值能够得到可靠转换,但频率在混叠到数字输出时被改变。信号被转换成数字值后,可以使用数字滤波器降低噪声,但记住一句经验之谈:“进来的是废物,出去时只会是废物”。

当您翻开一本运算放大器(运放)的数据手册看到大量参数说明时,为有源低通滤波器电路选择合适的运放显得让人无从入手。比如,在Microchip的5MHz单电源运放MCP6281/2/3/4的数据手册中所列出的直流/交流电气参数有24个。而实际情况是,当您为有源低通滤波电路选择运放时,最初只需考虑两个重要参数。根据这两个参数选择好了放大器之后,再考虑另外两个参数,然后就可以做出最终决定了。图1和图2为二阶有源低通滤波器的最常见拓扑结构。

图1中,非反相Sallen-Key滤波器设计为输入信号不反相。通过R3和R4可以选择增益值。如果您想得到+1V/V的直流增益,则应将R3拆除并将R4短接。图2显示了一个二阶多反馈电路配置。这种电路拓扑结构下,输入信号在参考电压VREF处被反相了。如果需要更高阶的滤波器,可将这两种拓扑关系串接起来。

在设计这两种拓扑电路的任一种时,最初需要考虑的两个关键参数是增益带宽积(Gain Bandwidth Pr oduct,GBWP)和转换率(Slew Rate)。选择运放前,应先确定滤波器的截止频率(fc),即滤波器开始衰减信号的频率。您有时会在文献中看到截止频率被称为通带频率。截止频率确定后,即可利用滤波器设计软件FilterLab(可从下载)确定电容和电阻值。

截止频率确定后,选择具备正确带宽的放大器就很容易了。放大器的闭环带宽必须比滤波器的截止频率至少高100倍。如果采用的是Sallen-Key型电路配置,且滤波器增益为+1V/V,那么,放大器的增益带宽积(GBWP)应大于等于100fc。如果闭环增益大于+1V/V,则GBWP应大于等于100GCLNfc,其中GCLN等于滤波器的非反相闭环增益。如果采用的是多反馈电路配置,放大器的GBWP应大于等于100*(-GCLI+1)fc,其中GCLI等于闭环系统的反相增益。

表1列出了Microchip运放的增益带宽积。

除了要考虑放大器的带宽外,还应估算转换率,以确保滤波器不产生信号失真。放大器的转换率取决于内部电流和电容。当大信号通过放大器时,电流会对电容充电。充电速度取决于放大器的内部电阻、电容和电流值。为了不使有源滤波器进入失真状态,应正确选择放大器以使转换率≥(2πVOUT P-Pfc),其中VOUT P-P是滤波器在频率低于fc时所期望的输出电压的峰-峰值。

二阶滤波电路受到另两个参数的影响,Sallen-Key电路的输入共模电压范围(VCMR)和输入偏置电流(I B)。在Sallen-Key电路配置中,VCMR将限制输入信号的范围。如果不是电源应用,则可不将电源电流作为关键参数进行考虑。

另一个需要考虑的的二阶滤波器参数是输入偏置电流。该参数描述了流入流出放大器输入引脚的电流总量。如果采用的是Sallen-Key电路配置(如图1所示),放大器的输入偏置电流将流过R2。

由这种错误产生的压降将以输入失调电压和输入噪声源的形式出现。但更加关键的是,几纳安到几毫安范围内的高输入偏置电流会促使您降低电路中的电阻。电阻降低后,为了达到滤波器的截止频率要求,必须提高电容值。但从成本、精度和体积等因素考虑,选择大容量电容不见得是好的方案。另外,还应注意电流将随着温度的升高而增加。从表1可见,大多数器件的输入偏置电流参数均在皮安级,因此,允许使用高阻值电阻。

按照上述简单步骤,您将发现成功地设计低通滤波器并没有想象中的困难,而且很快就能设计出可正常工作的电路了。

推荐参考资料:

AN699“Anti-Aliasing, analog Filters for Data Acquisition Systems”, Bonnie C. Baker, Microc hip Technology Inc.

模拟滤波器软件工具FilterLab可在 下载。

作者介绍

Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.混合信号/模拟应用部经理