原创 抗混淆滤波器放大器的选择

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作者：德州仪器 (TI) 高级应用工程师 Bonnie C. Baker

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对一个模拟信号进行数字化时，在该模拟信号到达 ADC 之前可使用一款低通滤波器来阻止带外噪声混淆错误的发生，并防止模拟信号出现叠加性高频噪声。如果输入信号噪声超过转换器采样频率的二分之一，那么其噪声幅度保持不变，但是信号出现混淆时频率就会改变。在对信号进行数字化以后，您就无法再通过使用一款数字滤波器来降低带内噪声。因此，您必须要记住这样一条经验法则：“无用输入；无用输出”。

为一个有源低通滤波器电路选择正确的运算放大器 (op amp) 是重中之重，特别是当您通读放大器产品说明书并浏览所有相关规范时。我于数天前阅读了放大器产品说明书，该产品说明书竟然一共有 24 条规范！事实上，在为您的有源低通滤波器选择合适的放大器时，在开始阶段只需要考虑 2 条重要规范。一旦您根据这两条规范选定放大器以后，在做出最终决定以前，还有两条规范是您需要考虑到的。

有源二阶低通滤波器中最常使用的拓扑结构是：（1）非反相 Sallen-Key 结构以及（2）反相多反馈结构^[1]。如果您需要的是一款更高阶滤波器，那么可以对以上两种拓扑结构进行级联。在设计中使用以上任一种拓扑结构时，您在一开始就应该考虑到的两个运算放大器规范分别为：（1）增益带宽乘积以及（2）转换速率。在选择放大器之前，要先确定滤波器截止频率 (f_CUT)，亦称为 –3 dB 频率。滤波器设计方案，如 FilterPro^{TM [3]}，可用于确定滤波器的电容和电阻值。

在确定截止频率大小后，选择一款具有合理带宽的放大器就比较容易了。当 Q < 1（见图 1）时，放大器 (f_AMP) 的增益带宽乘积必须最少为 100 x 增益 x f_CUT x k_i。当 Q > 1 时，f_AMP = 100 x 增益 x (f_CUT/a_i) x Ö [(Q_i² – 0.5)/(Q_i² – 0.25)]，其中，在微分滤波器 (partial filter) 传输函数中，a_i 为 i^th 的系数，同时 Q_i 为 i^th 微分滤波器的分解因子 (quality factor)。运算放大器的增益带宽乘积可以参见各个产品说明书的规格表。

除了要注意带宽，您还应该对放大器转换速率的影响进行评估。这样可以确保您的滤波器不会由于转换限制而产生信号失真。放大器转换速率取决于内部 IC 电流及电容。当较大的信号在放大器中进行传输时，内部电流将对这些内部电容进行充电。这个充电过程的速度取决于放大器内部电阻值、电容容量和电流强度。为了确保您的有源滤波器没有处在一个转换状态下，应选择一款转换速率 ≥ (πV_{OUT P-P} f_CUT) 的放大器，这种情况下，V_{OUT P-P} 表示在滤波器的截止频率以下达到预期的峰至峰输出电压摆幅。

在使用 Sallen-Key 滤波器电路时，另外两种规范也会对您的滤波器电路产生影响，即输入共模电压范围 (V_CMR) 和输入偏置电流 (I_B)。在 Sallen-Key 这种配置中，V_CMR 会限定您的输入信号的范围。此外，输入偏置电流还会对外部电源电阻进行导电。由 I_B 误差产生的压降会以一个额外输入偏置电压的形式出现。同时，需注意该电路有高频馈通。

通过遵循这些简单的指南，您会发现成功地设计一款高效的低通滤波器并不困难，并且您很快就会得到一款高效的电路。

图 1 通过级联一阶和/或二阶滤波器您可以构建一款多阶模拟滤波器。您可以利用滤波器系数计算出放大器所需的带宽。

推荐参考书目：

1.《FilterPro^TM MFB 与 Sallen-Key 低通滤波器设计方案》TI Bishop, Trump, Stitt, sbfa001a

2. 运放使用文集》，Mancini, Ron, Elsevier-Newness, 2003 年版

3. FilterPro、模拟滤波软件工具，请登录 www.ti.com

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