为滤波电路选择合适的运算放大器

1、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

2、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。 注：L配量为二阶低遍噩波豚 a宣at时游董为正值 3.如果直流堪奇为-NV，故大器的入

3、共整电任诚为就逾地灌幅电任 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。 注：1. fi 为二阶低通祯波器 2 .宣流时增益为负值 3,在箪电源供电的应用中*通常需要一个电压基准 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 , GBWFpP转换率(Sle

4、w 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GBW应大于等于100GCLNfG其中GCLN?于 滤波器的非反相闭环增益。如果采用的是多反馈电路

5、配置，放大器的 GBW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 A (2兀VOUT 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

6、范围(VCMR向输入偏置电流(I B)。在Sallen-Key 电路配置中，VCMR务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VAr O VOUT 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

7、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。 SWF _ *! HM* * S J J BV 耐的 人黄履 M 宣通审曲 I n *4 X I ( tt 1 | MCPKM1/2/3/4 0 003 0.3 V 望&3 V 1 PA mm%现印M 90 MM! 0035 g v*wv 50U MGF*ei41/2/34 10 册 r 。时 g v垣的 1 PA MCP606/7/5/& ISAkFf o.oe 尤占V章一白V 1 pA IK Wi 0.08

8、Q3 VUV 15 nA MGPC001/2/4 1 MHJ 。捎 Q3 V 思33 1呐 FCQ13 2.E 4,5V- 6.5V) KpAtlAtt MCP6271/2/3 A4 2 MHZ 0.9 旬,3 V 童 0,3 V 1 pA MCPW1/3/J/4 2.6 MHz 2,3 .3 V B 3,8 V 1 PA Md 哦由 4 & MHE 0# V 1 v 1 PA MCPeCQl/2/3/4 10 MH? T.0 V M&.3V 1 DA MC棚291/2/3/4 10 MHr 7Q 0.3 V ? 53 V 1 PA 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 aAnti-Aliasing, analog Filters for Data Acquisition Systems , B