CN0127: 利用运算放大器AD8622和ADA4062-2构建精密、低噪声、高增益8极点有源低通滤波器

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概览

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优势和特点
  • 低通有源滤波器针对10Hz进行了优化
  • 低噪声精密巴特沃兹sallen key拓扑
  • 极小型PCB
此电路中所用产品

电路功能与优势

本电路是一个精密、低噪声、低功耗、8极点有源低通滤波器,其增益为40 dB,它采用Sallen-Key拓扑结构,可提供巴特沃兹响应。

本电路不是采用一个四通道运算放大器简单构建,而是精选双通道运算放大器组合来提供更加优化的解决方案。低噪声(0.2 μV峰峰值,0.1 Hz至10 Hz)、低失调电压(典型值10 μV)运算放大器AD8622 用于输入和增益级。相对于其功耗(±15 V时每个放大器215 μA),AD8622提供的失调电压和噪声为业界最低。JFET输入运算放大器ADA4062-2 用于最后两级,其功耗同样很低(每个放大器165 μA)。ADA4062-2的低输入偏置电流允许最后两级使用较大的电阻和较小的电容,从而减小无源器件板的面积。

该滤波器提供业界功耗最低的解决方案(使用±15 V电源时,总静态电流为760 μA),不仅具有精密和低噪声特性,而且提供高增益。它使用两个双通道运算放大器,而不是一个四通道运算放大器,这也使得PCB布局更加灵活、简便。ADA4062-2还提供1.3 mm × 1.6 mm LFCSP封装(小于SC-70),是业界最小的JFET输入运算放大器。因此,设计人员不必担心使用两个双通道放大器比使用一个四通道放大器要占用更多电路板空间的问题。

低通滤波器经常用作数据采集系统中的抗混叠滤波器,或者用作噪声滤波器以限制高频噪声。巴特沃兹滤波器是一种幅度响应极为平坦的滤波器,通带和阻带中均无纹波。然而,与其它有纹波的响应相比,无纹波是以频率响应的过渡带更宽为代价而实现的,因此,通常需要高阶巴特沃兹滤波器。有源滤波器设计比无源滤波器设计更为复杂,因为前者必须选择拓扑结构和适当的运算放大器。然而,有源设计可提供信号增益,而且无需实现低频无源滤波器所要求的大电感和电容。

Sallen-Key拓扑结构也称为电压控制电压源(VCVS)结构,其设计简单,电路元件少,在业界广为使用。所示滤波器的截止频率fC为10 Hz,总增益为100 V/V或40 dB。使用标准滤波器设计技术,可以将该设计轻松调整到其它频率。

图1:利用AD8622和ADA4062-2构建的8极点Sallen Key巴特沃兹低通滤波器,VSY = ±15 V(未显示去耦)

电路描述

该8极点低通滤波器具有4个复数共轭极点对,由4个双极点Sallen Key低通滤波器级联而成。A、B部分配置为增益各为10的双极点低通滤波器,C、D部分则配置为单位增益滤波器。级联的排列非常重要。如果需要增益,则应在前面几级产生增益,以便降低输出端的总噪声。

另一个避免运算放大器饱和或削波的极佳原则是按照Q(品质因素)由小到大的顺序排列各级。表1显示巴特沃兹滤波器各级的Q要求和极点位置。另外,有关s平面上的极点位置和不同阶滤波器的Q要求,请参考线性电路设计手册第8章(“模拟滤波器”)。

部分 极点 Q
A - 0.9808 ± j 0.1951 0.5098
B - 0.8315 ± j 0.5556 0.6013
C - 0.5556 ± j 0.8315 0.9000
D - 0.1951 ± j 0.9808 2.5628

表1:8极点巴特沃兹低通滤波器设计表

为了降低成本和减小电路板空间,一般使用一个四通道放大器来实现8极点滤波器。然而,也应当考虑利用两个双通道放大器的方案,因为这会带来其它好处。使用两个双通道运算放大器时,PCB布局更简单,有时还可以减少电路板层数。走线可以分散分布,从而降低寄生电容和串扰。滤波器各级都有不同的增益、带宽、噪声和直流精度要求,因此必须为各级选择适当的放大器。

滤波器第一级应使用低噪声和低失调电压运算放大器,因为来自第一级的噪声和失调电压会被所有四级的噪声增益放大。AD8622是一款双通道、低功耗、精密运算放大器。电源电压为±15 V时,0.1 Hz至10 Hz电压噪声为0.2 μV峰峰值,失调电压典型值仅为10 μV。AD8622具有直流精度和低噪声特性,因而成为滤波器前两级的不错选择。前两级选择较小的电阻,以降低其对滤波器总噪声的热噪声贡献。当滤波器总增益集中在前两级时,其余级对运放的噪声要求就不那么重要,可以使用成本和精度较低的运算放大器。

C、D部分选择低功耗放大器ADA4062-2。它具有JFET差分对输入,输入阻抗较高,偏置电流非常低。由于后两级的噪声要求降低,而且ADA4062-2的偏置电流非常低,因此可以使用较大的电阻值和较小的电容。JFET的低输入偏置电流对电路的直流误差贡献极小。

一个双极点低通滤波器的截止频率fC和Q可以通过下式计算:

Equation 1

Equation 2

一般来说,为使上述公式具有较高的精度,所选运算放大器的增益带宽积至少应比滤波器的fC、Q和增益的乘积大100倍。

为获得足够的全功率带宽,还需要考虑压摆率。压摆率的通用计算公式为:

Equation 3

对于10 Hz截止频率,AD8622和ADA4062-2均有足够的压摆率,不会发生压摆率限制现象。

选择适当的电阻和电容值也很重要。较大电阻会导致热噪声增加。虽然可以使用较小的电容来实现特定的fC,但现在放大器的输入电容可能很大。该电容至少应比放大器输入电容大100倍。电阻和电容对于确定性能随工艺容差、时间和温度的变化非常重要。建议使用1%或更佳容差的电阻以及5%或更佳容差的电容。还需要旁路电容(图中未显示)。本例中,每个双通道运放的每个电源引脚上都应有一个10 μF钽电容与一个0.1 μF陶瓷电容并联。有关正确去耦技术的详细说明,请参考教程MT-101

图2显示该低通滤波器的频率响应实测结果,其中:

V1 为第一级的输出。
V2 为第二级的输出。
V3 为第三级的输出。
VOUT 为滤波器最终输出。

V1 显示出每10倍频程40 dB的滚降;V2 显示出每10倍频程80 dB的滚降;V3 显示出每10倍频程120 dB的滚降。所需输出VOUT显示出每10倍频程160 dB的滚降,过渡带较陡。如前所述,随着滤波器阶数提高,过渡带将变得更陡。

图2:8极点有源滤波器的频率响应测量结果

ADI公司有一款滤波器向导设计工具,可帮助用户设计有源滤波器以及选择适当的运算放大器。该工具逐步引导用户完成滤波器应用设计的整个过程。具体步骤包括:输入滤波器标准,检查推荐的器件,有源滤波器合成,以及最终生成材料清单和/或运放SPICE 网络列表。

常见变化

如前所述,后两级对运算放大器选择的要求较低。可以代替ADA4062-2的放大器有很多。例如,可以使用成本更低的OP07D ,不过其电源电流较高。如果要求更低的电源电压,可以考虑ADA4665-2。如果设计需要四通道运放,也可以使用AD8624。不过,在选择放大器时,务必确保不要超出输入共模电压范围。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD8622 低功耗、低噪声、低偏置电流、精密双通道RRO运算放大器 AD8622ARZ AD8622ARMZ
ADA4062-2 微型、低功耗JFET输入运算放大器 ADA4062-2ARMZ ADA4062-2BRZ ADA4062-2ARZ ADA4062-2ACPZ-R7
沪ICP备09046653号
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