【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第26课时_有源滤波器

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查看: 700回复: 3 发表于 2019-4-4 10:01:47   只看该作者


关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制,深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识,帮助大家由浅入深地了解产品,更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容,视频解析文字课40节,每周二、周四更新,欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频:
1. 简单有源滤波器
2. 有源滤波器设计软件
3. 高频馈通与运放带宽

无源滤波器的负载也构成滤波器的一部分,所以会导致截止频率的偏移。出于隔离负载的目的,引入运放后的滤波器就称为有源滤波器。值得一提的是,并非所有场合都适用有源滤波器。
1) 对滤波器截止频率没有严格要求时,例如仅仅是滤除一些高频毛刺干扰,使用RC或LC滤波显然要结构简单成本低。
2) 当信号频率非常高时,例如几百MHz至GHz时,高带宽的运放不仅数量稀少而且价格昂贵,此时一般都采用LC滤波。
3) 非对信号进行滤波,而是对电源滤波时,考虑到效率,不能使用运放滤波。一般用LC滤波,或者用电力有源滤波(属于开关电路,并非通常意义的运放有源滤波器)。


1 简单有源滤波器
如图1所示,在无源滤波器(无论多少级)最后输出时用运放隔离一下,使得滤波器不受负载影响,就构成了简单有源滤波器。

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图1 简单四阶有源低通滤波器

对图1中各级输出进行交流传输特性仿真,得到图2所示的幅频相频特性曲线。



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图2 四阶低通滤波器的幅频相频特性曲线

以低通滤波器为例,理想滤波器虽然做不到在截止频率处信号就“戛然而止”,但是“选择性好”的滤波器会尽量做到截止频率之前信号衰减尽量小,而截止频率后尽快以理论斜率衰减。
如图3所示的普通滤波器在截止频率之前就有明显衰减,而截止频率之后衰减又不迅速。“选择性差”在理论计算上,表现为低Q值。

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图3 滤波器的过渡带


“复杂”有源滤波器电路(Sallen-Key和MFB拓扑)可以调整Q值,最终构成贝塞尔、巴特沃斯、切比雪夫等不同Q值的滤波器(响应)类型。
如图4所示为3种滤波器的幅频特性曲线。
1) 贝塞尔滤波器的Q值最低(图中为0.58),因此(频率)选择性差,要达到相同的滤波效果需要更高阶滤波器。
2) 切比雪夫Q值最高(图中为1.305),在过渡带衰减快,(频率)选择性差最好,但是其幅频曲线有过冲,不如其他两种滤波器平坦。
3) 巴特沃思滤波器Q值适中(图中为0.71),通带内增益最平坦,各方面特性比较均衡。

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图4 三种滤波响应的幅频特性曲线

如图5所示为3种滤波器的群延时特性曲线。
1) 所谓群延时,简单说就是一群信号同时进滤波器,还能不能同时出滤波器。
2) 如果滤波器对通带内信号衰减幅度一致(通带增益平坦),但是延时却不一致,那么滤波器的输出信号也将“面目全非”。
3) 贝塞尔滤波器的群延时特性最平坦(优点),适用于音频滤波场合(声音不变调)。

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图5 三种滤波响应的群延时特性曲线

如图6所示为3种滤波器的阶跃特性曲线。
1) 当滤波器输入“突变”信号,滤波器会不会出现过冲(振铃),要花多长时间恢复稳定,这就是阶跃响应。显然,我们希望没有过冲且尽量快达到稳定。
2) DAC的输出信号可看做阶跃信号,高频干扰信号也可看做阶跃信号。这两种信号对于滤波器的(频率)选择性要求不高。
3) 贝塞尔滤波器的阶跃响应无过冲,这一优点适合作为DAC输出端低通滤波器和ADC输入端的抗混叠低通滤波器(主要滤除高频干扰)。

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图6 三种滤波响应的阶跃特性曲线

2 有源滤波器设计软件
滤波器的设计非常博大精深,最简单的方法是利用各种滤波器设计软件进行辅助设计。我们这里简要介绍如何用TI的WEBENCH在线软件辅助设计有源滤波器。WEBENCH是原美国国家半导体(已被TI收购)推出的一款功能非常强大的在线设计和仿真工具,可以对电源、LED、放大器、滤波器、音频、接口、无线以及信号路径进行设计与仿真。
1)  如图7所示,在TI中国主页中,注册/登录 my.TI 账户,这个免费账户可以用来下载使用TI软件,申请免费TI样片等。
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图7 登陆/注册TI账户


2) 在TI主页中,找到WEBENCHDesigner在线设计软件,以用途最广泛的低通滤波器为例,选中Filters→Lowpass,并单击“开始设计”。

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图8 WEBENCH Designer在线设计软件入口

3) 参考图9,在滤波器设计界面中,有非常丰富的选项。如果想自行指定滤波器的阶数,则选择“Pick Filter Response”,例如选择截止频率1000Hz的二级巴特沃斯滤波器,单电源5V供电。单击 11.jpg 可继续下一步设计。

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图9 滤波器设计界面


如图10所示为默认生成的Sallen-Key拓扑的二阶有源滤波器,可通过进一步修改更新默认设计。

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图10 Sallen Key拓扑的二阶有源滤波器原理图

1) 如图11所示,可在电路体积、成本、敏感性方面改变推荐设计的策略,在滤波器设计中就是会选择不同的运放。

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图11 推荐设计选项

2) 图12所示为运放种类,可直接更改。注意,运放供电为5V单电源,这是按实验板有源滤波器(位于超声波模块)的实际供电决定的。

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图12 运放和供电选项

3) 图13所示可选择电路的拓扑和无源器件的精度,更改后可以按 17.jpg 更新电路图。

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图13 电路拓扑和无源器件精度选项

4) 图14所示,可以修改滤波器的响应,提供贝塞尔、巴特沃斯、切比雪夫等几个选项。还可以修改滤波器的阶数。

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图14 滤波器响应和阶数修改

5) 如图15所示为元器件清单(BOM表),可以详细查看器件的型号厂家和参考价格。

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图15 参考设计的BOM表

如图16所示,更改滤波器拓扑类型为MFB(Multiple Feedback)类型,并单击Update。
1) MFB拓扑的滤波器为反相输入,所以对于单电源供电的运放来说,同相输入端必须提供VCM以便将信号整体抬升一个电平。
2) 所有单电源供电的运放电路都必须仔细分析输入输出电压是否满足电源轨的要求,必要时在同相输入端加载共模电压VCM,VCM可以使用电阻分压的方法得到。

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图16 MFB拓扑的二阶有源滤波器

3 Sallen-Key滤波器的高频馈通现象
通常推导有源滤波器的幅频相频特性时,都把运放当成理想运放看待,当考虑运放带宽时,不同拓扑的滤波器表现出不同特性。
如图17所示为采用同种运放OPA347的Sallen-Key和MFB拓扑的二阶有源低通滤波器的TINA仿真原理图。
1) 按照图17中电阻电容参数,两种滤波器的截止频率均为660Hz。

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图17 有源滤波器TINA仿真

2) 对图17电路进行交流特性仿真,按如图18所示设定AC传输特性,观察幅频特性(振幅)。

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图18 交流传输特性参数设定

3) 如图19所示的交流传输特性中,在低频段(小于18.22kHz),Sallen-Key与MFB的幅频特性几乎是相同的。但是当频率继续升高以后,Sallen-Key拓扑的低通滤波器反倒变成频率越高,增益越大,成为高通特性。
  
24.jpg 25.jpg
图19 OPA347有源滤波器幅频特性仿真

图19所示的带转折的幅频特性表明,Sallen-Key拓扑的低通滤波器在高频端会产生高频馈通现象。
1) 参考图17,Sallen-Key的输出通道有两条,运放输出和电容C1输出。
2) 频率足够高时,C1可看成对信号短路,而运放由于带宽限制对信号“断路”,输出信号基本由C1通道提供,最终表现为高通特性。


高频馈通现象导致Sallen-Key低通滤波器对“特别”高频的信号反倒束手无策。对图17电路进行瞬时现象仿真。
1) 信号源设定为24kHz的方波信号,占空比50%,幅值为+2V。
2) 按照理论计算,MFB滤波器输出的应该是负电压,幅值应为-1V。图20较好的验证了理论计算结果,输出电压仅有小幅波动。
3) 按理论计算,Sallen-Key滤波器输出应该是同正电压,幅值应为1V。但是图20却显示,低通滤波器几乎没能滤除方波信号中的高频部分(上升沿和下降沿)。

26.jpg
图20 高频馈通的瞬时现象仿真波形

4  运放带宽对滤波器的影响
Sallen-Key滤波器的高频馈通现象表明,运放带宽对滤波器的性能有影响。本节将通过TINA仿真分析运放带宽对不同拓扑滤波器的影响程度。
选取单位增益带宽仅有1.2MHz的“白菜运放”LM324和单位增益带宽达400MHz的宽带运放OPA842作为对比。
1) 如图21所示,首先对比Sallen-Key拓扑下,两种运放构成的二阶有源低通滤波器的幅频特性。

27.jpg
图21 Sallen-Key拓扑下不同带宽运放的仿真原理图

2) 如图22所示的幅频特性中,低频段(10kHz以下),两种运放构成低通滤波器没有任何不同,幅频特性曲线完全重合。
3) 高频时,两者的区别开始显现,LM324滤波器的转折频率仅为11.54kHz,OPA842滤波器的转折频率达到了180kHz。


28.jpg 29.jpg
图22 Sallen-Key拓扑下幅频特性对比

4) 如图23所示,接着对比MFB拓扑下,两种运放构成的二阶有源低通滤波器的幅频特性。

30.jpg
图23 MFB拓扑下不同带宽运放的仿真原理图

5) 如图24所示的幅频特性中,在100kHz以下频段,两种运放构成低通滤波器的幅频特性曲线都是基本相同的。

31.jpg
图24 Sallen-Key拓扑下幅频特性对比

以上的仿真分析说明,MFB拓扑对于运放的带宽要求远低于Sallen-Key拓扑,所以MFB拓扑要更加常用。在TI公司应用报告ZHCA035中,有关于MFB和Sallen-Key拓扑应用场合的详细说明,还有TI公司另一种滤波器设计软件FilterPro的使用说明。

欢迎大家留言作答以下题目,答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学,还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答:
以下说法是否正确:
1、高阶滤波器各项性能指标均好于低阶滤波器。
2、MFB拓扑与Sallen-Key拓扑相比,对于运放带宽的要求低。


选择题:
3、Webench的最大缺点是什么?
     A.精度差
     B.操作复杂
     C.收费
     D.需较高速度的网络


4、对于Sallen-Key拓扑的低通滤波器,高频馈通的现象是什么?
     A.高频段表现为高通特性
     B.无法对PWM类信号进行滤波
     C .无法作为低通滤波器使用

参考答案:
1 错误
2 正确
3 D
4 AB




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