為低通濾波器選擇合適的放大器

為有源低通濾波器選擇合適的單電源運算放大器是件麻煩的事，因為要仔細閱讀各種放大器產品的數據手冊，還要查閱各項技術參數。例如，Microchip公司的5MHz單電源MCP6281/2/3/4數據手冊就有24種直流與交流參數。而實際上，為有源低通濾波器選擇放大器時，最初只需考慮兩個參數。根據這兩個參數選擇了放大器后，再考慮另外兩個參數，就能做出最終選擇。本文將指出這些重要的放大器參數，并討論如何為濾波器選擇合適的放大器。
幾乎所有的電子電路中都有模擬濾波器。音頻系統用它來實現前置放大和均衡功能，而在通信系統中，濾波器則用來對特定頻率進行調諧，并過濾掉其它頻率。然而，如圖1所示，模擬信號被數字化后，低通濾波器常被用于過濾帶外噪聲與干擾帶來的混疊誤差。模擬濾波過程能夠在模擬信號到達ADC之前過濾掉夾雜在信號中的高頻噪聲，其中還包括低電平噪聲以及外部的峰值噪聲，每一個進入ADC的信號都被數字化了。假如信號超過轉換器采樣頻率的一半，其幅值能被可靠地轉換，而其頻率由于信號混入數字輸出而改變。這時，在信號數字化后使用數字濾波器就可以降低噪聲。
二階有源低通濾波器最常見的結構如圖2和圖3所示。圖2是非反相Sallen-Key低通濾波器，輸入信號不被反相。圖3是二階多反饋低通濾波器，在這一電路中，輸入信號反相后與參考電壓VREF相加。如果需要采用更高階濾波器，可以將兩個電路級聯。
設計濾波器時最初要考慮的兩個關鍵參數是增益帶寬積(GBWP)和轉換率。在選擇放大器之前，應該先確定濾波器的截止頻率(fC)，即濾波器在這個頻率處開始衰減信號，有時也把這個頻率稱為通帶頻率。該步驟完成后，就可以運用濾波器設計軟件程序，如FilterLab模擬濾波軟件工具來確定電容和電阻值了。
確定了截止頻率以后，選擇帶寬合適的放大器就很容易了。放大器的閉環帶寬必須至少比濾波器的截止頻率高100倍。如果采用Sallen-Key結構，濾波器的增益為+1V/V，可以利用下面的公式：
GBWP≥100*fC.
如果采用多反饋結構，應運用下列公式：GBWP≥100 * (-GCLI + 1) * fC ，其中GCLI為閉環系統的負增益。
例如：配置轉角頻率為10kHz，增益為+1V/V的Sallen-Key結構低通濾波器電路需要放大器的GBWP大于1MHz。因為MCP6281/2/3/4放大器的GBWP為5MHz(典型值)，因此可以用于這種濾波器電路。
除要注意放大器的帶寬外，還必須對轉換率進行估算，以保證濾波器不會產生信號失真。放大器轉換率是由內部電流和電容決定的。當大信號通過放大器時，適當電流會對這些內部電容充電。充電速度取決于放大器的內部電阻、電容和電流值。為確保有源濾波器正確運作，所選的有源放大器的轉換率應為：
轉換率≥ (2p*VOUT  P-P*fC),
在這里VOUT  P-P為頻率低于fC情況時期望的輸出電壓峰-峰值。
回到上面的例子，在應用當中，單電源環境要求輸出峰值電壓達到~5V。這種性能要求決定了低通濾波器中的放大器轉換率≥0.314V/ms。MCP6281/2/3/4放大器系列的專用轉換率是2.5V/ms。完全滿足這種濾波器轉換率要求。
影響濾波器電路的二階參數有兩個，即Sallen-Key結構電路的輸入共模電壓范圍(VCMR)和輸入偏置電流(IB)。在Sallen-Key結構中，VCMR會限制輸入信號的范圍。IB描述了放大器引腳的進出電流量。如果使用Sallen-Key結構濾波器(如圖2所示)，放大器輸入偏置電流將通過R2，由這個誤差產生的電壓降會表現為輸入補償電壓和輸入噪聲源。更關鍵的是，納安或微安范圍的高輸入偏置電流要求降低電路中的電阻值，為此，就要增加電容值，以滿足濾波器截止頻率的要求。然而，大電容無論是從成本上，還是從精度或是體積上都是不可取的。因此，較低轉角頻率的濾波器更需要CMOS放大器而不是雙極放大器。
如果遵循以上原則，那么設計一個成功的低通濾波器并非難事，而且很快就會擁有一個性能良好的工作電路。■

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