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，您就無法再通過使用一款數(shù)字濾波器來降低帶內(nèi)噪聲。因此，您必須要記住這樣一條經(jīng)驗(yàn)法則：“無用輸入；無用輸出”。
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)品說明書并瀏覽所有相關(guān)規(guī)范時(shí)。我于數(shù)天前閱讀了放大器產(chǎn)品說明書，該產(chǎn)品說明書竟然一共有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各個(gè)產(chǎn)品說明書的規(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。
通過遵循這些簡單的指南，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
