标签: 模拟滤波器

在一个传统设计中，你会发现在模数转换器 (ADC) 的前面有一个抗混叠滤波器。设计人员的解释是这么做符合那奎斯特定理，的确如此。ADC之前的滤波器减少了带外噪声，并且减弱了那些会被混叠回馈到信号链中的信号。 这一切都很平常。但是，一个未经证明的意外情况就是拐点频率，或者说-3dB频率 (f-3dB) 之前的模拟滤波器所带来的影响。直觉告诉我们这个滤波器在f-3dB频率上不会像矩形滤波器那样开始运行。但是，滤波器从f-3dB向DC移动时所导致的增益误差水平是多少呢（图1）？让我们来看一看这个评估中的Butterworth响应。 图 1. 在 f-3dB 等于 1kHz 时， Butterworth 低通滤波器响应 在输入频率带宽范围内，一个ADC的增益误差是静态的。例如，使用ADS8364时，一个典型16位ADC增益误差技术规格最大值可以是+/-0.25%FS。这等于164最低有效位 (LSB) 的满量程 (FS) 上的增益误差。这看起来似乎很高，但是可以对这个误差，连同转换器的偏移误差进行校准。 而在增加滤波器的模拟增益误差时，情况就不是这样了。低通滤波器的感应增益误差是由频率决定的。图2显示的是一个2 nd 阶，Butterworth，低通滤波器的滤波器响应。   图 2. 一个 2 nd 阶， 1kHz Butterworth Sallen-key 有源滤波器的频率响应。这个仿真使用理想组件。             探针（a-红色）图示了16位转换器遇到半LSB增益误差时的频率。此处出现增益误差的频率为62.48Hz，对可用频率范围的减少超过了十倍频。对于一个12位转换器（探针b-蓝色），增益误差开始的频率（半LSB）大约为125Hz。在高于这个频率时，增益误差持续增加，直到这个滤波器的f-3dB。 当你增加滤波器的阶数时，这一情况会有所改进。图3显示的是5 th 阶，Butterworth滤波器的频率响应。   图 3. 一个 5 th 阶， 1kHz Butterworth Sallen-key 有源滤波器的频率响应。这个仿真使用理想组件。 与图2相比，图3中的情况已有所改进。对于16位转换器，半LSB误差开始于大约369Hz（a-红色），而对于12位滤波器开始于大约443Hz（b-蓝色）。 虽然我已经为你显示了Butterworth低通滤波器的工作方式，但这个现象在所有低通滤波器中都会出现—不论它们的拓扑是怎样的；essel、Chebyshev、线性相位、高斯，还有很多其它低通滤波器都是如此。此外，我们的示例是理想状态下的滤波器，其中的电阻器、电容器和放大器的运行方式都尽可能地接近计算得出的理想工作方式。非理想电容器和电阻器对于滤波器的频率响应虽然影响较小，但是不建议忽略掉这些很小的变化所带来的影响。 如果你想进一步研究这个运行方式，我建议你使用WEBENCH滤波器设计工具。其中有一个功能能够使你将整个滤波器设计导出到TINA-TI模型中进行进一步的仿真。请使用这一功能。这个功能将使你能够快速确认和验证你的滤波器设计。 参考文献 模拟滤波器和技术规格畅游：选择正确的转换率，Baker Bonnie，与Bonnie一起研究电路板，08/27/14 模拟滤波器和技术规格畅游：什么，我以为我已经除掉噪声了？Baker Bonnie，与Bonnie一起研究电路板，11/21/2013 模拟滤波器和技术规格畅游：输入偏置电流大有用途，Baker Bonnie，与Bonnie一起研究电路板，11/21/13 模拟滤波器和技术规格畅游：为你的滤波器选择正确的带宽，Baker Bonnie，与Bonnie一起研究电路板，11/08/13      

哪些因素会影响放大器技术规格对有源滤波器的正常运行呢？你可能会列举增益带宽积、噪声、以及起动器的输入偏置电流。但是，千万不要忘了放大器的转换率 (SR)。针对大信号技术规格，连同放大器的小信号增益带宽积 (GBWP) 进行适应性调节，就可以把失真保持在尽可能低的水平上。 如果一个信号将放大器推入SR拐点，会出现失真。你可以通过将一个快速移动的输入信号提供给一个放大器来实现这个条件。图1显示的就是这一情形，其中输入正弦信号的最大斜率比一个放大器的转换限值要快。 图 1. 顶部描记线是到缓冲器配置中 OPA192 的输入信号。底部描记线是得到的输出信号。 在图1中，正弦信号的最大斜率出现在零交叉上。这个最大斜率=。在这个方程式中，V P = 峰值正弦电压，而fs = 信号频率。当你将图1中的顶部图与底部图相比较时，你会发现顶部曲线内零交叉点上的输入 (V IN ) 最大斜率 (28.3 V/us) 受到底部曲线内放大器20V/us SR的限制。这一情况会产生6%的总谐波失真 (THD)。 放大器的SR是放大器内部电流和电容所造成的的大信号技术规格。当你通过放大器来发送大信号时，适当的电流为这些内部电容器充电。而充电的速度取决于放大器内部电阻值、电容值和电流值 。图2显示的制造商数据表曲线图描述了最大输出电压与频率之间的运行方式。使用公式来计算这个数据表中的曲线。   图 2.OPA192 最大输出电压与频率之间的关系 图2显示了OPA192放大器的SR无失真区域。对于这个放大器来说，如果你在输出电压范围介于+10V至-10V之间运行此放大器，那么SR 20V/us技术规格会为大信号产生大于300kHz的带宽。需要注意的是，在图3中，这个放大器的小信号带宽为10MHz。   图 3. 放大器开环增益 / 相位与频率之间的关系 在你注意滤波器的放大器的带宽时，也请评估一下SR值。使用这个公式为低通滤波器确定最小放大器带宽：   因此， fc 是低通滤波器的拐点频率，而Q是滤波器的品质因数。你可以在“模拟滤波器和技术规格畅游：为你的滤波器选择正确的带宽”中找到方程式1的详细信息 。 可以使用这个公式来确定你的放大器的最小SR：     此处 fc 是低通角频率，而2的平方根表示信号将被减少-3dB。 为了提升THD性能值，减少输入信号频率或使用任一款具有较高SR的放大器。SR必须快且对称，以最大限度地减少失真。 当我开始使用滤波器时，我最初认为GBWP技术规格只是需要考虑的一个频率技术参数。然而，事实可不是这样！我已经发现，在设计一个模拟有源滤波器时，市面上70%的放大器有SR方面的问题。 我想对TI员工Michael Steffes提供的专业知识表示特别感谢。 参考文献 1.    转换率-运算放大器的速度限制，Bruce Trump，EDN，2013年6月 2.    模拟滤波器和技术规格畅游：为你的滤波器选择正确的带宽，Bonnie Baker，与Bonnie一起研究电路板，德州仪器 (TI)，2013年11月8日 3.    为你的滤波器电路选择正确的运算放大器，Bonnie Baker，AN003，Microchip Technologies，2003年 下载OPA192数据表。