UAF42中文数据手册

基于通用有源滤波器 UAF42 的滤波器设计尽管有源滤波器在现代电子工业中是非常重要的，但是其设计和检验却要耗费很多时间。为了便于有源滤波器的设计，BURR-BROWN 提供了一种FilterProTM 电脑辅助设计。通过 FILTER42 程序和 UAF42 可以设计实现所有种类的有源滤波器。UAF42 是一个单片集成电路，其中包含了运算放大器、匹配电阻和状态可调双极滤波极对所需的精密电容，以及一个独立的精密四运放。UAF42 实现的滤波器是时间连续的，同时避免了开关噪声和开关电容滤波器的混叠误差。这种状态可调拓扑结构带来的另外的好处是滤波器受外部器件的影响很小，同时，可以得到低通、高通、带通的输出。一个 UAF42 外加两个电阻器就可以实现一个简单的双极滤波器，见图 1。注：UAF42 和两个外接电阻构成一个单增益、1.25dB 纹波的双极低通切比雪夫滤波器，根据阻值所示，截止频率为 10kHz。图 1. 采用 UAF42 实现的双极低通滤波器设计程序与 DOS 系统兼容，可以自动计算出外围器件的值，实用于设计低通、高通、带通、带阻（或陷波）滤波器。有源滤波器被设计成近似理想的滤波器响应。例如：一种理想的低通滤波器完全消除了截止频率之上的信号，而低于截止频率的信号则无损通过。而现实的滤波器为了接近理想滤波器要进行各种权衡。一些滤波器优化了通带增益的平坦度，另一些则权衡通带增益的变化来实现通带和阻带间比较陡的衰减，还有一些是舍弃增益平坦度和陡的衰减特性来保证脉冲响应的保真度。FILTER42 支持这三种最常用的全极滤波器类型：巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔。同时也支持较少应用的反切比雪夫滤波器。如果选择了双极带通或陷波滤波器，则程序默认是谐振电路响应。巴特沃斯（幅度最平坦）：这种滤波器通带内的幅度响应最平坦。在设计的截止频率下衰减为-3dB，超出截止频率为每十倍频-20dB。巴特沃斯滤波器的脉冲响应具有适度的过冲和振铃。切比雪夫（同样的纹波幅度）：这种滤波器响应在截止频率外有比巴特沃斯更陡的衰减特性，优势体现在通带内振幅变化（纹波）的减小。与巴特沃斯和贝塞尔的截止频率定义在衰减 3dB 处不同的是，切比雪夫的截止频率被定义作响应降低至纹波带以下的频率。对于偶数阶滤波器，所有纹波都在 DC-规范化的通带增益响应之上，所以截止点是在 0dB（见图 2A） 。对于奇数阶滤波器，所有纹波都在 DC-规范化的通带增益响应之下，因此截止点为 (纹波)dB（见图2B） 。对于给定极数，可以通过允许更多的通带纹波来获得更陡的衰减。切比雪夫脉冲响应的振铃要超过巴特沃斯，尤其是对于高纹波设计。图 2A. 偶数阶(4 极)3dB 纹波切比雪夫低通滤波器的频响特性所示截止点在 0dB图 2B. 奇数阶(5 极)3dB 纹波切比雪夫低通滤波器的频响特性所示截止点在-3dB逆切比雪夫（阻带衰减极小）：与切比雪夫滤波器不同的是，逆切比雪夫滤波器纹波局限于阻带。这种滤波器有陡的衰减以及通带内平稳的幅度响应。逆切比雪夫的截止频率被定义为响应第一次进入指定阻带的频率，如图 3 所示。逆切比雪夫的阶跃响应与巴特沃斯滤波器类似。贝塞尔（最平稳的时间延迟）：也叫做汤姆森滤波器，由于其线性相位响应，该滤波器具有良好的脉冲响应（最小的过冲和振铃） 。对于给定极数，其幅度响应不是那么的平坦，而初始衰减速率也不像巴特沃斯那么陡，超出了-3dB 截止频率。为近似于给定的巴特沃斯滤波器的幅度响应，需要高阶贝塞尔滤波器，但这却降低了贝塞尔滤波器的脉冲响应保真度。调谐电路（谐振或调谐电路的响应）：如果选择了一个双极带通或带阻（陷波）滤波器，则程序默认是谐振电路响应。当选择了带通响应时，滤波器的设计接近于串联的 LC 电路的响应，如图 4A 所示。当选择带阻（陷波）响应时，滤波器的设计接近于并联的 LC 电路的响应，如图 4B 所示。图 3. 5 极、-60dB 阻带，低通逆切比雪夫滤波器的频响特性所示截止点在-60dB图 4A. UAF42 实现的 n=2 带通滤波器（近似于串联调谐 L,C,R 回路）图 4B. UAF42 实现的 n=2 带阻（陷波）滤波器（近似于并联调谐 L,C,R 回路）电路实现一般来讲，该程序设计的滤波器是通过串联滤波支路实现的，支路是双极（复极对）响应或者是单实极响应。程序会在功能和性能的基础上自动选择所需的支路，允许您指定另外的反相或同相的极对配置来代替自动的构架选择。这种最简单的滤波电路由一个单极对支路组成，如图 5 所示，更复杂的滤波器由两个或更多串联支路组成，如图 6 所示。偶数阶滤波器由 UAF42 极对部分实现，通常不需要外部电容。奇数阶滤波器另外需要一个可由 UAF42 上的独立四运放来实现的实极部分，以及一个外部电阻和一个外部电容。程序可以设计直到十阶的滤波器。该程序可生成滤波器器件的值以及滤波电路的方框图。滤波器的方框图显示了实现标记类型的滤波设计所需的支路并按推荐顺序连接。器件值程序输出显示了滤波的所有外部器件的值。注：（1）支路是一个复极对（PP1-PP6）支路，由 UAF42 滤波器元件值和滤波器框图程序输出指定（2）HP 输出、BP 输出、LP 输出、Aux 输出由 UAF42 方框图程序输出指定图 5. 单一复极对支路组成的简单滤波注：（1）支路是一个实极高通、实极低通或复极对(PP1-PP6)支路，由 UAF42 滤波器元件值和滤波器框图程序输出指定（2）如果支路是极对部分，HP 输出、BP 输出、LP 输出、Aux 输出由 UAF42 方框图程序输出指定图 6. 两个或更多支路构成的多级滤波该程序会自动在高 Q 阶前放置低 Q 阶，以防止由增益峰值引起的运放输出饱和，尽管如此，还是限制了输入电压要小于10V （Vs=15V ） 。每个滤波器的最大输入电压如滤波器方框图所示。如果 UAF42 用于简化的供应，最大输入电压也需相应的减小。为使滤波器有较高的输入电压，可以增加一个输入衰减器。程序设计的最简单的滤波器可实现期望的交流传递函数和 1.0V/V 通带增益。在某些情况下，程序无法实现增益滤波或者通带增益小于 1.0V/V。无论如何，所有的滤波增益都在滤波方框图中显示出来了。如果想要一个不同的增益，你可以按要求额外增加增益或衰减阶数。为了设计滤波器，可打印出方框图和器件的值，一次考虑一条支路，使器件输出报告上的支路参考类型与其相应的电路图匹配，在该报告中查看滤波支路部分。UAF42 滤波器件值的报告可以显示任何支路所需的每一个可能的外部器件，单并不是所有的这些器件都会被用在特定的滤波设计中。如果某一器件没有值，就忽略该器件。例如，一个详尽的复极对支路的原理图中，显示了 UAF42 中与1000pF 电容并联的外部电容，而超过大约 10Hz 的滤波不需要外部电容。在支路完成后，按照滤波方框图所示将它们连接起来。滤波支路滤波设计由串联的复极对和实极支路构成，复极对支路是基于 UAF42 的状态可调滤波器拓扑结构。该电路中用到了六个变量，PP1 到 PP6。实极部分可由 UAF42 的辅助运放来实现，还要用到低通和高通实极部分。在 UAF42 滤波器器件值和滤波方框图程序报告中，支路将以两个或三个字母缩写代表，每个支路的描述如下：极对(PP)支路通常来讲，在状态可调结构中，所有的复极对支路都用到 UAF42。对极对来说，有两个滤波参数是必须设置的，即 Q 和自然频率 fO，设置这几个参数要用到外部电阻，设置极对 fO 时，一定会用到电阻 RF1 和 RF2，外部电阻 RQ，通常被用来设置 Q。在低频部分，不需要为频率设定电阻的值，超过 5M 的电阻可反作用于降低滤波性能的寄生电容。当 fO 小于 10Hz，必须增加外部电容，以使 RF1 和 RF2的阻值低于 5M。当 fO 在 10 Hz 到 32 Hz 内时，需要外加 5.49K 的电阻 R2A与电阻 R2 并联，来减小 RF1 和 RF2 至 ，这样就不需要外加电容了。另一方10面，当 fO 大于 10Hz，需要电阻 R2A 与 R2 并联，来改进平稳度。当设计反相极对结构或 Q0.57。该支路采用内部增益设置电阻 R3，使得外部器件保持较少的数量。PP5（同相极对/零支路） ，见图 11。除复极对之外，这种配置可通过 UAF42 的辅助运放 A4 来对低通和高通的输出求和，以使 j 轴为零（响应空） 。在自动构架选择模式中，这种结构用在所有带阻（陷波）滤波响应和逆切比雪夫滤波，此时 Q0.57。该结构需外接一个增益设置电阻 RG。PP6（反相极对/零支路） ，见图 12。除复极对之外，这种配置可通过 UAF42 的辅助运放 A4 来对低通和高通输出求和，以使 j 轴为零（响应空） 。该支路仅在您指定另外的反相极对配置来代替自动的构架选择时使用。另外，这种结构用在所有带阻（陷波）滤波响应和逆切比雪夫滤波。该支路需外接增益设置电阻RG。注：使用 PP3 支路时，如果 RQ=50K，就不需要外界品质因子 Q 设置电阻，可如图 9B 所示连接电阻 R3图 9A. PP3 反相极对支路图 9B. 反相极对支路，使用 R3 代替外部品质因子设置电阻 RG图 10. PP4 同相极对/零支路，采用内部增益设置电阻 R3图 11. PP5 同相极对/零支路，采用外部增益设置电阻 RG图 12. PP6 反相极对/ 零支路LP（实极低通支路） ，这是一个基本的低通支路（ LP） ，见图 13A。R P 和 CP 构成一个单极，A 2 为输出缓存，以防下一阶滤波的加载。如果需要高输入阻抗，可在输入端加一个可选的缓存 A1。对于增益 LP 支路，所用到的可选回路如图13B 所示，对于反相增益或衰减 LP 支路，所用到的可选回路如图 13C 所示。HP（实极高通支路） ，这是一个基本的高通支路（HP） ，见图 14A。R P 和 CP 构成一个单极，A 2 为输出缓存，以防下一阶滤波的加载。如果需要高输入阻抗，可在输入端加一个可选的缓存 A1。对于增益 HP 支路，所用到的可选回路如图14B 所示，对于反相增益或衰减 HP 支路，所用到的可选回路如图 14C 所示。图 13. 低通(LP)支路：a 基本；b 同相增益；c 反相增益图 14. 高通(HP)支路：a 基本； b 同相增益；c 反相增益UAF42 的辅助运放未被使用如果 UAF42 的辅助运放未被使用，把它连接为接地的单位增益跟随，如图 15 所示，这样可以保持它的输入输出在运算的线性区域内，以防止偏置异常影响 UAF42 上的其他运放。图 15. 连接为接地的单位增益跟随的辅助运放奇数阶逆切比雪夫低通滤波器中去掉 LP 支路通过去掉 LP 支路和在第一阶极对/零支路中构成实极，可简化奇数阶逆切比雪夫低通滤波器。为了在第一阶极对/零支路中构成实极，可与加法放大器的反馈电阻 RZ3 并联一个电容 C1。实极的频率需与 LP 支路的频率相同，实现的一种方法是，使 C1=C2，R Z3=RP，CP 与 RP 的大小由 LP 支路指定，同时，为了保持加法放大器的增益相同，用 RP/RZ3 乘以 RZ1 和 RZ2。图 16A 和 16B 所示为修改过的 3 极回路，它是一个 347Hz 截止的逆切比雪夫低通滤波器。这个例子来自一个需要陷波为 400Hz 系统电源噪声的低通滤波器的应用，设置截止在 347Hz，制造 400Hz 的陷波。标准滤波器（图 16A）由两个支路组成，LP 支路后连接 PP4 支路。在这个简化了的结构中（图 16B） ，加法放大器的反馈电阻 RZ3 与一个0.01F 的电容并联，其阻值在 10K130 K 间变化。注意 RP 和 CP 的大小与LP 支路（图 16A）中的大小相同。为正确设置加法放大器的增益，电阻 RZ1 和RZ2 乘以 RP/RZ3（130 K/10K） 。R Z1 和 RZ2 必须大于 2 K，以防止运放输出过载。如果必要，可通过减小 CP 来增大 RZ1、R Z2 和 RZ3。图 16A. FilterProTM 设计的 347Hz 三极逆切比雪夫低通滤波器注：为了确定正确频率的实极和设置正确的加法放大增益，极对支路需做以下改变，R Z3改为 RP，增加 CP 与 RZ3 并联，电阻 RZ1 和 RZ2 乘以 RP/RZ3图 16B. 简化的 347Hz 三极逆切比雪夫低通滤波器（消除 LP 输入部分）Q 增大当实极部分 fOQ100KHz，频率超过 3 KHz，运放增益带宽局限性会导致 Q 的误差，并且增益达到最大。为了减弱这种影响，程序依照 Q 补偿算法，自动减小设计的 Q 来补偿误差 （1） 。当出现这种情况时， UAF42 滤波器件值的报告上，Q 的值上会标上星号，来表明该值为理论 Q 值，不是实际设计的 Q。实际设计的 Q 标记为 QCOMP。FilterProTM 程序的使用在每个数据都输入后，程序自动算出滤波器的参数，允许用电子表格设计方式。例如，你可以快速决定，反复实验，期望的衰减需要多少极点。入门指南第一次使用该程序时，你可以按以下步骤进行：输入 FILTER42 按回车开始程序使用方向键移动光标至 Filter Response1）选择滤波响应从以下四种响应中选择，低通、高通、带通、陷波（带阻） ，按回车确定。当期望的响应出现后，把光标移动至 Filter Type。2）选择滤波类型光标移动至期望的滤波类型，按下回车。选择的滤波类型会是高亮的并且用星号标记，有四种滤波类型可选：巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫、逆切比雪夫。如果选择了切比雪夫，你也必须输入纹波（即通带纹波） ，见切比雪夫滤波说明。如果选择了逆切比雪夫，必须输入 AMIN（即阻带最小衰减或最大增益） ，见逆切比雪夫滤波说明。3）输入滤波器阶数光标移至 Parameters 处的 Filter Order，输入滤波器阶数 n（210） 。4A）输入滤波频率光标移至 Parameters 处的 Filter Frequency，低通/高通滤波：输入 f-3dB 或截止频率；带通滤波：输入中心频率 fCENTER；带阻（陷波）滤波：输入陷波频率 fNOTCH；如果选择的是高通或低通滤波，进行步骤 5。4B）输入滤波器带宽如果设计带通或带阻（陷波）滤波器，移动光标至 Bandwidth，输入带宽。如果带宽处没有输入，并按下了回车，你可以输入 fL 和 fH 来代替带宽。f L和 fH 是 f-3dB 点，对于巴特沃斯和贝塞尔滤波，相当于中心频率，对于切比雪夫，它们是纹波带的末端。这种输入模式会迫使中心频率和陷波频率的改变。5）打印器件的值按 F4 来打印出滤波器件的值和滤波方框图，按照此滤波实现的报告的说明，组成一个可用的滤波器。绘图功能的使用绘图功能可便于你观察滤波增益和相频特性的曲线，对比较滤波器很有帮助。按 F2 键查看当前滤波设计的图形。图形显示命令查看图形时，可用到以下指令：F1 或 S：保存当前设计的图形；F2 或 R：重新显示保存的图形，画出当前设计的图形；F3 或：绘制一条 0 dB 参考线。图形显示光标控制当查看图形时，可以用方向键移动光标，查看绘制的滤波响应的增益和相位。电阻器的值输入每个参数后，程序会自动算出电阻器的值。如果需要连接外部电容，程序会为你选择的滤波器，选择标准电容值并计算确切的电阻值。显示菜单中的 1% Resistors 选项可用于计算最接近标准 1%的电阻值来代替精确的电阻值。使用这项功能时，移动光标至 Filter Response 的 resistors 处，按下回车键。程序会在精确电阻和标准 1%电阻间切换。电容的选择10Hz 以上的偶数阶滤波器不需要外部电容，奇数阶滤波器需要一片外部电容来设置低通和高通部分的实极。对于高性能的滤波器来讲电容的选择是很重要的。电容的性能可以很大程度上使滤波器偏离理想状态，引起电阻和电感的串联，限制了品质因数 Q。同时电容电压的非线性会引起失真。 UAF42 的1000pF 电容是镭射精调至 0.5%的高性能类型。如果需要外部电容，推荐电容类型是：NPO 陶瓷、银云母、金属化聚碳酸酯、温度高于 85、聚丙烯或聚苯乙烯。高介电常数的普通陶瓷电容，比如“high-k”型，应避免使用，否则会引起滤波电路故障。运算放大器的选择通常可采用 UAF42 的独立四运放，来实现需要的低通、高通或增益级。如果一定要使用外加运放，选择一个可以提供适当的 DC 精度、噪声、失真和速率的运放是很重要的。运放的转换速率运放的转换速率需大于 VOPP带宽，以满足全功率响应。例如，100kHz ，20V P-P 输出需要的运放转换速率应至少为 6.3V/s。BURR-BROWN提供了一种极佳的用于高性能有源滤波的运放。下表提供了一些很好的选择。TA = 25C, VS = 15V，除非另外说明，最大/最小性能参数是指高档型号注：（1）FPR 是依转换速率计算的 20VP-P 的全功率响应。（2）这些运放有 FET 输入。（3）共模输入电容。运算放大器带宽一般来说，在低通和带通中，运算放大器的带宽应至少为 50GAINfO，此处 GAIN=运放结构的噪声增益，f O=滤波 f-3dB 或频率 fCENTER。在高通和带阻（陷波）