有源低通滤波器——适用于什么频率?

电器工程 运算放大器 有源滤波器 无源滤波器 萨伦键
2022-01-21 02:45:14

The Art of Electronics,第 3 版(LC Butterworth 滤波器)的附录 E开头说“有源滤波器在低频下很方便,但在高频下不实用”。他们去说“在 100kHz 及以上的频率下,最好的方法是无源 LC 滤波器”(在这两种情况下都可以解释)。

我的第一个问题: 真的吗? 对于有源滤波器来说,仅仅 100kHz 已经太高了?

我知道具有高带宽和高压摆率的运算放大器可能很昂贵,这使得它在一般情况下“不切实际” --- 但是,具有 1MHz 截止频率的低通 LC 滤波器,具有 1kΩ 的 T 拓扑负载最终需要数百μH的电感器——​​如果我需要避免失真(磁芯饱和和磁滞),那么在该范围内的空芯电感器会使整个事情变得不切实际。

问题 2 是:对于 Sallen-Key 二阶低通滤波器来说,低于 10MHz 的截止频率是否太高?

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

从理想情况的角度分析它(假设运算放大器始终处于线性运行状态),运算放大器的所有三个引脚都会受到低通输出信号的影响——在 < 10MHz 的截止频率下,这肯定不是问题(既不是带宽也不是压摆率)。输入电容应该不是大问题 --- R 大约为 1k,电容器大约为几十 pF 到几百 pF --- 高到足以使运算放大器的输入电容可以忽略不计。

还有其他我忽略的实际问题吗?如果我想要一个截止频率约为几MHz的有源滤波器,我是否现实?(定价不是问题 --- 如果我需要 10 美元或 20 美元范围内的运算放大器,那很好)

4个回答

我相信你的分析是好的。我已经制作了能在 3 MHz 左右截止的 Sallen-key 4 阶滤波器,完全不用担心性能。我不认为 10 MHz 是无法实现的。

这完全取决于运算放大器的选择。对于单位增益级,很容易确定增益开始下降到(例如)0.99 以下的位置,并将其视为限制频率。另一方面,运算放大器的输出阻抗通常会随着它进入 MHz 区域而变差,因此您必须确保它能够提供峰值电流而不会削波或变得过于草率。

您还必须考虑转换速率限制,但据我所知,仅此而已。

The Art of Electronics, 3rd Edition自 1980 年首次发布以来,很可能没有对该部分进行任何更新。

我的第一个问题:真的吗?对于有源滤波器来说,仅仅 100kHz 已经太高了?

不,100kHz 不算什么,但这完全取决于运算放大器。在某些时候,增益带宽积会导致问题。如果您有一个具有 1MHz 或 10MHz GBWP 的运算放大器(这在 AofE 第一版时可能很典型,也许他们没有更新这是我的想法,所以我会比较版本)然后 100kHz 不会听起来太不合理了,因为你只会得到一两个幅度的滤波,然后带宽会低于单位增益。然后你的低通滤波器看起来更像带通。

还有其他我忽略的实际问题吗?如果我想要一个截止频率约为几MHz的有源滤波器,我是否现实?(定价不是问题 --- 如果我需要 10 美元或 20 美元范围内的运算放大器,那很好)

如果您确实需要超过 50MHz 的滤波,则需要将寄生参数建模为电容器中的 ESR 和 ESL 将开始影响滤波器极点并在高频下创建它们自己的滤波器极点。如果可能,请使用香料包。确保 GBWP 足够高,如今获得在 +100MHz 范围内工作的运算放大器并不难。

Sallen Key 拓扑在高频下的主要问题是运算放大器的输出阻抗升高,因此无法通过 2C 电容器控制输入信号的前馈,从而破坏阻带。

TI 有一个 10MHz 设计应用笔记。它基于他们的 THS4001 低成本 270 MHz -3dB 运算放大器。

运算放大器的开环输出阻抗远高于 50 Ω 信号发生器。这使它们具有短路保护功能。较高的 GBW 用于降低 Zout = Zoc/GBW。面包板 ESL (0.5nH/mm) 和杂散电容需要最小化。

使用 150 MHz GBW,您可以使用 5 pf、10pF 的 1k R。

我没有阅读他们的设计。

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa032/sloa032.pdf

要设计任何过滤器,您应该首先考虑这些规格;

Source impedance \$Z_S(f)\$   
Load Impedance \$Z_L(f)\$   
Gain   -3 dB passband \$f_p\$    
Loss   @ \$f_s\$stop band edge   e.g. \$  ~-dB~ @ ~2*f_p, 10*f_p\$    
 ..  or order of filter    
% load regulation error = % Output/Load impedance ratio ( for low % )    
Phase shift in passband, group delay  
Noise, supply power  
Output swing and slew rate limit