幾乎所有電子電路中都有模擬濾波器。音響系統(tǒng)用它來進行前置放大和信號均衡。通訊系統(tǒng)利用濾波器對特定頻率進行調(diào)頻并排除其它頻率。但在模擬信號被數(shù)字化后，常用低通濾波器來避免來自頻帶以外的噪聲和干擾產(chǎn)生的混疊誤差。

模擬濾波電路可濾除疊加在模擬信號上的高頻噪聲，使其無法進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。特別是低電平噪聲和外部噪聲尖峰也在濾除之列。任何進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號均被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。如果信號頻率超過轉(zhuǎn)換器采樣頻率的一半，信號幅值能夠得到可靠轉(zhuǎn)換，但頻率在混疊到數(shù)字輸出時被改變。信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字值后，可以使用數(shù)字濾波器降低噪聲，但記住一句經(jīng)驗之談：“進來的是廢物，出去時只會是廢物”。

當(dāng)您翻開一本運算放大器(運放)的數(shù)據(jù)手冊看到大量參數(shù)說明時，為有源低通濾波器電路選擇合適的運放顯得讓人無從入手。比如，在Microchip的5MHz單電源運放MCP6281/2/3/4的數(shù)據(jù)手冊中所列出的直流/交流電氣參數(shù)有24個。而實際情況是，當(dāng)您為有源低通濾波電路選擇運放時，最初只需考慮兩個重要參數(shù)。根據(jù)這兩個參數(shù)選擇好了放大器之后，再考慮另外兩個參數(shù)，然后就可以做出最終決定了。圖1和圖2為二階有源低通濾波器的最常見拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1中，非反相Sallen-Key濾波器設(shè)計為輸入信號不反相。通過R3和R4可以選擇增益值。如果您想得到+1V/V的直流增益，則應(yīng)將R3拆除并將R4短接。圖2顯示了一個二階多反饋電路配置。這種電路拓撲結(jié)構(gòu)下，輸入信號在參考電壓VREF處被反相了。如果需要更高階的濾波器，可將這兩種拓撲關(guān)系串接起來。

在設(shè)計這兩種拓撲電路的任一種時，最初需要考慮的兩個關(guān)鍵參數(shù)是增益帶寬積(Gain Bandwidth Product，GBWP)和轉(zhuǎn)換率(Slew Rate)。選擇運放前，應(yīng)先確定濾波器的截止頻率(fc)，即濾波器開始衰減信號的頻率。您有時會在文獻中看到截止頻率被稱為通帶頻率。截止頻率確定后，即可利用濾波器設(shè)計軟件FilterLab(可從www.microchip.com下載)確定電容和電阻值。

截止頻率確定后，選擇具備正確帶寬的放大器就很容易了。放大器的閉環(huán)帶寬必須比濾波器的截止頻率至少高100倍。如果采用的是Sallen-Key型電路配置，且濾波器增益為+1V/V，那么，放大器的增益帶寬積(GBWP)應(yīng)大于等于100fc。如果閉環(huán)增益大于+1V/V， 則GBWP應(yīng)大于等于100GCLNfc，其中GCLN等于濾波器的非反相閉環(huán)增益。如果采用的是多反饋電路配置，放大器的GBWP應(yīng)大于等于100*(-GCLI+1)fc，其中GCLI等于閉環(huán)系統(tǒng)的反相增益。表1列出了Microchip運放的增益帶寬積。

除了要考慮放大器的帶寬外，還應(yīng)估算轉(zhuǎn)換率，以確保濾波器不產(chǎn)生信號失真。放大器的轉(zhuǎn)換率取決于內(nèi)部電流和電容。當(dāng)大信號通過放大器時，電流會對電容充電。充電速度取決于放大器的內(nèi)部電阻、電容和電流值。為了不使有源濾波器進入失真狀態(tài)，應(yīng)正確選擇放大器以使轉(zhuǎn)換率≥(2πVOUT P-Pfc)，其中VOUT P-P是濾波器在頻率低于fc時所期望的輸出電壓的峰-峰值。

二階濾波電路受到另兩個參數(shù)的影響，Sallen-Key電路的輸入共模電壓范圍(VCMR)和輸入偏置電流(IB)。在Sallen-Key電路配置中，VCMR將限制輸入信號的范圍。如果不是電源應(yīng)用，則可不將電源電流作為關(guān)鍵參數(shù)進行考慮。

另一個需要考慮的的二階濾波器參數(shù)是輸入偏置電流。該參數(shù)描述了流入流出放大器輸入引腳的電流總量。如果采用的是Sallen-Key電路配置(如圖1所示)，放大器的輸入偏置電流將流過R2。

由這種錯誤產(chǎn)生的壓降將以輸入失調(diào)電壓和輸入噪聲源的形式出現(xiàn)。但更加關(guān)鍵的是，幾納安到幾毫安范圍內(nèi)的高輸入偏置電流會促使您降低電路中的電阻。電阻降低后，為了達到濾波器的截止頻率要求，必須提高電容值。但從成本、精度和體積等因素考慮，選擇大容量電容不見得是好的方案。另外，還應(yīng)注意電流將隨著溫度的升高而增加。從表1可見，大多數(shù)器件的輸入偏置電流參數(shù)均在皮安級，因此，允許使用高阻值電阻。

按照上述簡單步驟，您將發(fā)現(xiàn)成功地設(shè)計低通濾波器并沒有想象中的困難，而且很快就能設(shè)計出可正常工作的電路了。

推薦參考資料：
AN699“Anti-Aliasing, analog Filters for Data Acquisition Systems”, Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.
模擬濾波器軟件工具FilterLab可在 www.microchip.com下載。

作者介紹
Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.混合信號/模擬應(yīng)用部經(jīng)理