Sallen―Key低通滤波器高频馈通现象的原因及解决-4资料

1、Sallen Key低通滤波器咼频馈通现象的原因及解决1. 引言Sallen-Key 二阶低通滤波器是工程上应用最广泛的滤波器之一， 其电 路原型是利用电压反馈运算放大器及 RC元件构成，优点是电路结构简单， 通带增益、 极点角频率和品质因数的表达式简洁， 而且品质因数调节方便， 可调范围大。当设计一个模拟低通抗混叠滤波器时，通常希望它的幅度增益在滤波 器的转折频率后一直下降。对于 Sallen-Key 滤波器的确可以衰减转折频 率和某个频点（这个频点比转折频率更咼）间的信号，但在该咼频点后， 滤波器的幅度增益开始随着频率的增加而增加，即咼频馈通现象。本文分析了 Sallen-Key 低通滤波

2、器产生的咼频馈通现象的原因，并 且通过TI公司的SPICE仿真软件Tina-TI进行仿真验证，快速且直观的 反应出了这种咼频馈通现象。通过给出的三种常见解决方法，有效的抑制 了咼频馈通现象。2.Sallen-Key 低通滤波器咼频馈通现象产生的原因以OPA227运放为例，如图1所示，为一个典型的 Sallen-Key低通滤 波器。图 1 典型 Sallen-Key 低通滤波器该电路的增益曲线如图 2所示。图 2 典型 Sallen-Key 低通滤波器增益曲线考虑到 Sallen-Key 型滤波器的拓扑结构，实际上有两条路径产生了 Vout，一条是忽略了输出阻抗的运放输出，它主宰了前半部分“正常

3、”的增益曲线；另一条是流过R1和C2的电流注入到运放闭环输出阻抗 Zo上的结果，它主宰了“上扬”的后半部分增益曲线。在100K频率附近前，既是理想的滤波器增益曲线。我们知道放大器的特性：随着频率的升高，放 大器的开环增益下降，它的闭环输出阻抗开始增加。所以随着闭环输出电 阻Zo的增加，当其上的电压等于运放的正向输出电压，此时幵始Zo上的电压将占主导地位（因为运放的增益持续降低，信号难以通过运放，将选 择更容易到达输出端的路径），此时幵始，增益曲线的斜率将跟随着Zo增加的斜率。直到运放的幵环增益降为0的频率幵始，Zo保持恒定，增益曲线保持稳定。我们可以用等效电路来推倒上面的结论，假设到某一频点（

4、转折频率附近），导致C1，C2都交流短路，则可以得到：OPA227的幵环输出阻抗约为20欧姆，所以Zo最大也就是20欧姆， 远小于R1,因此可以简化得到：这里R1为2.4K。查看OPA277的幵环增益曲线可知，在主极点140mHz 后，OPA277的幵环增益以-20dB/decade的速率下降，相反地闭环输出阻 抗将以20dB/decade的速度增大，所以，闭环增益曲线将随Zo的20dBde/decade 斜率上升而上升，并在运放的开环增益为 0 时，闭环增益 降等于 Zo/R1。由图2,可以清楚地看到，在C1, C2短路前，滤波器的幵环增益曲线， 以-40dB/decade的速度下降;C1，

5、C2短路后，滤波器的闭环增益随着 Zo 的上升斜率20dB/decade幵始上升，直到8MHZ附近，OPA277开环增益降 为 0dB, Zo=20欧姆，此时，Vout/Vin二20/2.4K=0.008 40dB3. 解决 Sallen-Key 低通滤波器高频馈通的常用方法 基于对以上高频馈通原因的分析，下面给出三种常用的解决方法：（1）如果可能，选择FET或者CMO型放大器作为为有源滤波器，他 们拥有pA级的输入偏置电流，这是的可以将 R1和R2增大10倍，C1，C2 减小10倍。增大R1,可以大大减少流过 Zo的电流;减小C，可以节约尺 寸和成本。（2）在滤波后再加一个 RC滤波抑制高频

6、，如图3所示。（3） 在C2和Zo间添加一个缓冲器隔离，使得 C2上的电流不再流入Zo。图3加入RC滤波后的Sallen-Key低通滤波器图4加入RC滤波后的Sallen-Key低通滤波器增益曲线图 5 加入缓冲隔离后的 Sallen-Key 低通滤波器图 6 加入缓冲隔离后的 Sallen-Key 低通滤波器增益曲线需要注意的是为了减少运放偏置电流对系统频率的影响，隔离C2和Zo的运放应该选择FET或CMO输入的放大器。加入隔离运放后，我们看 到系统较第二种方法将拥有更好的滤波响应。4. 结论通过分析 Sallen-Key 低通滤波器的高频馈通现象产生的原因，本文 给出了三种可行的解决方法并加以比较，通过 Tina-TI 软件仿真，验证了 文中所提的三种方法能够有效的解决 Sallen-Key 低通滤波器的高频馈通。