UAF42中文數(shù)據(jù)手冊

1、基于通用有源濾波器UAF42的濾波器設計盡管有源濾波器在現(xiàn)代電子工業(yè)中是非常重要的，但是其設計和檢驗卻要耗費很多時間。為了便于有源濾波器的設計，BURR-BROWN提供了一種FilterProTM電腦輔助設計。通過FILTER42程序和UAF42可以設計實現(xiàn)所有種類的有源濾波器。UAF42是一個單片集成電路，其中包含了運算放大器、匹配電阻和狀態(tài)可調(diào)雙極濾波極對所需的精密電容，以及一個獨立的精密四運放。UAF42實現(xiàn)的濾波器是時間連續(xù)的，同時避免了開關噪聲和開關電容濾波器的混疊誤差。這種狀態(tài)可調(diào)拓撲結構帶來的另外的好處是濾波器受外部器件的影響很小，同時，可以得到低通、高通、帶通的輸出。一個UAF

2、42外加兩個電阻器就可以實現(xiàn)一個簡單的雙極濾波器，見圖1。注：UAF42和兩個外接電阻構成一個單增益、1.25dB紋波的雙極低通切比雪夫濾波器，根據(jù)阻值所示，截止頻率為10kHz。圖1. 采用UAF42實現(xiàn)的雙極低通濾波器設計程序與DOS系統(tǒng)兼容，可以自動計算出外圍器件的值，實用于設計低通、高通、帶通、帶阻（或陷波）濾波器。有源濾波器被設計成近似理想的濾波器響應。例如：一種理想的低通濾波器完全消除了截止頻率之上的信號，而低于截止頻率的信號則無損通過。而現(xiàn)實的濾波器為了接近理想濾波器要進行各種權衡。一些濾波器優(yōu)化了通帶增益的平坦度，另一些則權衡通帶增益的變化來實現(xiàn)通帶和阻帶間比較陡的衰減，還有一

3、些是舍棄增益平坦度和陡的衰減特性來保證脈沖響應的保真度。FILTER42支持這三種最常用的全極濾波器類型：巴特沃斯、切比雪夫和貝塞爾。同時也支持較少應用的反切比雪夫濾波器。如果選擇了雙極帶通或陷波濾波器，則程序默認是諧振電路響應。巴特沃斯（幅度最平坦）：這種濾波器通帶內(nèi)的幅度響應最平坦。在設計的截止頻率下衰減為-3dB，超出截止頻率為每十倍頻-20dB。巴特沃斯濾波器的脈沖響應具有適度的過沖和振鈴。切比雪夫（同樣的紋波幅度）：這種濾波器響應在截止頻率外有比巴特沃斯更陡的衰減特性，優(yōu)勢體現(xiàn)在通帶內(nèi)振幅變化（紋波）的減小。與巴特沃斯和貝塞爾的截止頻率定義在衰減3dB處不同的是，切比雪夫的截止頻率被

4、定義作響應降低至紋波帶以下的頻率。對于偶數(shù)階濾波器，所有紋波都在DC-規(guī)范化的通帶增益響應之上，所以截止點是在0dB（見圖2A）。對于奇數(shù)階濾波器，所有紋波都在DC-規(guī)范化的通帶增益響應之下，因此截止點為(紋波)dB（見圖2B）。對于給定極數(shù)，可以通過允許更多的通帶紋波來獲得更陡的衰減。切比雪夫脈沖響應的振鈴要超過巴特沃斯，尤其是對于高紋波設計。圖2A. 偶數(shù)階(4極)3dB紋波切比雪夫低通濾波器的頻響特性所示截止點在0dB圖2B. 奇數(shù)階(5極)3dB紋波切比雪夫低通濾波器的頻響特性所示截止點在-3dB逆切比雪夫（阻帶衰減極小）：與切比雪夫濾波器不同的是，逆切比雪夫濾波器紋波局限于阻帶。這種

5、濾波器有陡的衰減以及通帶內(nèi)平穩(wěn)的幅度響應。逆切比雪夫的截止頻率被定義為響應第一次進入指定阻帶的頻率，如圖3所示。逆切比雪夫的階躍響應與巴特沃斯濾波器類似。貝塞爾（最平穩(wěn)的時間延遲）：也叫做湯姆森濾波器，由于其線性相位響應，該濾波器具有良好的脈沖響應（最小的過沖和振鈴）。對于給定極數(shù)，其幅度響應不是那么的平坦，而初始衰減速率也不像巴特沃斯那么陡，超出了-3dB截止頻率。為近似于給定的巴特沃斯濾波器的幅度響應，需要高階貝塞爾濾波器，但這卻降低了貝塞爾濾波器的脈沖響應保真度。調(diào)諧電路（諧振或調(diào)諧電路的響應）：如果選擇了一個雙極帶通或帶阻（陷波）濾波器，則程序默認是諧振電路響應。當選擇了帶通響應時，濾

6、波器的設計接近于串聯(lián)的LC電路的響應，如圖4A所示。當選擇帶阻（陷波）響應時，濾波器的設計接近于并聯(lián)的LC電路的響應，如圖4B所示。圖3. 5極、-60dB阻帶，低通逆切比雪夫濾波器的頻響特性所示截止點在-60dB 圖4A. UAF42實現(xiàn)的n=2帶通濾波器（近似于串聯(lián)調(diào)諧L,C,R回路）圖4B. UAF42實現(xiàn)的n=2帶阻（陷波）濾波器（近似于并聯(lián)調(diào)諧L,C,R回路）電路實現(xiàn)一般來講，該程序設計的濾波器是通過串聯(lián)濾波支路實現(xiàn)的，支路是雙極（復極對）響應或者是單實極響應。程序會在功能和性能的基礎上自動選擇所需的支路，允許您指定另外的反相或同相的極對配置來代替自動的構架選擇。這種最簡單的濾波電路

7、由一個單極對支路組成，如圖5所示，更復雜的濾波器由兩個或更多串聯(lián)支路組成，如圖6所示。偶數(shù)階濾波器由UAF42極對部分實現(xiàn)，通常不需要外部電容。奇數(shù)階濾波器另外需要一個可由UAF42上的獨立四運放來實現(xiàn)的實極部分，以及一個外部電阻和一個外部電容。程序可以設計直到十階的濾波器。該程序可生成濾波器器件的值以及濾波電路的方框圖。濾波器的方框圖顯示了實現(xiàn)標記類型的濾波設計所需的支路并按推薦順序連接。器件值程序輸出顯示了濾波的所有外部器件的值。注：（1）支路是一個復極對（PP1-PP6）支路，由UAF42濾波器元件值和濾波器框圖程序輸出指定（2）HP輸出、BP輸出、LP輸出、Aux輸出由UAF42方框圖

8、程序輸出指定圖5. 單一復極對支路組成的簡單濾波注：（1）支路是一個實極高通、實極低通或復極對(PP1-PP6)支路，由UAF42濾波器元件值和濾波器框圖程序輸出指定（2）如果支路是極對部分，HP輸出、BP輸出、LP輸出、Aux輸出由UAF42方框圖程序輸出指定圖6. 兩個或更多支路構成的多級濾波該程序會自動在高Q階前放置低Q階，以防止由增益峰值引起的運放輸出飽和，盡管如此，還是限制了輸入電壓要小于10V（Vs=15V）。每個濾波器的最大輸入電壓如濾波器方框圖所示。如果UAF42用于簡化的供應，最大輸入電壓也需相應的減小。為使濾波器有較高的輸入電壓，可以增加一個輸入衰減器。程序設計的最簡單的濾

9、波器可實現(xiàn)期望的交流傳遞函數(shù)和1.0V/V通帶增益。在某些情況下，程序無法實現(xiàn)增益濾波或者通帶增益小于1.0V/V。無論如何，所有的濾波增益都在濾波方框圖中顯示出來了。如果想要一個不同的增益，你可以按要求額外增加增益或衰減階數(shù)。為了設計濾波器，可打印出方框圖和器件的值，一次考慮一條支路，使器件輸出報告上的支路參考類型與其相應的電路圖匹配，在該報告中查看濾波支路部分。UAF42濾波器件值的報告可以顯示任何支路所需的每一個可能的外部器件，單并不是所有的這些器件都會被用在特定的濾波設計中。如果某一器件沒有值，就忽略該器件。例如，一個詳盡的復極對支路的原理圖中，顯示了UAF42中與1000pF電容并聯(lián)

10、的外部電容，而超過大約10Hz的濾波不需要外部電容。在支路完成后，按照濾波方框圖所示將它們連接起來。濾波支路濾波設計由串聯(lián)的復極對和實極支路構成，復極對支路是基于UAF42的狀態(tài)可調(diào)濾波器拓撲結構。該電路中用到了六個變量，PP1到PP6。實極部分可由UAF42的輔助運放來實現(xiàn)，還要用到低通和高通實極部分。在UAF42濾波器器件值和濾波方框圖程序報告中，支路將以兩個或三個字母縮寫代表，每個支路的描述如下：極對(PP)支路通常來講，在狀態(tài)可調(diào)結構中，所有的復極對支路都用到UAF42。對極對來說，有兩個濾波參數(shù)是必須設置的，即Q和自然頻率fO，設置這幾個參數(shù)要用到外部電阻，設置極對fO時，一定會用到

11、電阻RF1和RF2，外部電阻RQ，通常被用來設置Q。在低頻部分，不需要為頻率設定電阻的值，超過5M的電阻可反作用于降低濾波性能的寄生電容。當fO小于10Hz，必須增加外部電容，以使RF1和RF2的阻值低于5M。當fO在10 Hz到32 Hz內(nèi)時，需要外加5.49K的電阻R2A與電阻R2并聯(lián)，來減小RF1和RF2至，這樣就不需要外加電容了。另一方面，當fO大于10Hz，需要電阻R2A與R2并聯(lián)，來改進平穩(wěn)度。當設計反相極對結構或Q0.57的同相結構時，需外接濾波增益設置電阻RG。PP1（同相極對支路，用到內(nèi)部增益設置電阻R3），如圖7。在自動構架選擇模式中，這種結構被用在所有的通帶濾波響應。這種

12、結構允許單一通帶增益和高品質(zhì)因數(shù)Q（接近400）。不需要額外的增益設置電阻，減少了外部器件的數(shù)量。PP2（同相極對支路，采用外部增益設置電阻RG），見圖8。當極對Q0.57。該支路采用內(nèi)部增益設置電阻R3，使得外部器件保持較少的數(shù)量。PP5（同相極對/零支路），見圖11。除復極對之外，這種配置可通過UAF42的輔助運放A4來對低通和高通的輸出求和，以使j軸為零（響應空）。在自動構架選擇模式中，這種結構用在所有帶阻（陷波）濾波響應和逆切比雪夫濾波，此時Q0.57。該結構需外接一個增益設置電阻RG。PP6（反相極對/零支路），見圖12。除復極對之外，這種配置可通過UAF42的輔助運放A4來對低通和

13、高通輸出求和，以使j軸為零（響應空）。該支路僅在您指定另外的反相極對配置來代替自動的構架選擇時使用。另外，這種結構用在所有帶阻（陷波）濾波響應和逆切比雪夫濾波。該支路需外接增益設置電阻RG。注：使用PP3支路時，如果RQ=50K，就不需要外界品質(zhì)因子Q設置電阻，可如圖9B所示連接電阻R3圖9A. PP3反相極對支路圖9B. 反相極對支路，使用R3代替外部品質(zhì)因子設置電阻RG圖10. PP4同相極對/零支路，采用內(nèi)部增益設置電阻R3圖11. PP5同相極對/零支路，采用外部增益設置電阻RG圖12. PP6反相極對/零支路LP（實極低通支路），這是一個基本的低通支路（LP），見圖13A。RP和CP

14、構成一個單極，A2為輸出緩存，以防下一階濾波的加載。如果需要高輸入阻抗，可在輸入端加一個可選的緩存A1。對于增益LP支路，所用到的可選回路如圖13B所示，對于反相增益或衰減LP支路，所用到的可選回路如圖13C所示。HP（實極高通支路），這是一個基本的高通支路（HP），見圖14A。RP和CP構成一個單極，A2為輸出緩存，以防下一階濾波的加載。如果需要高輸入阻抗，可在輸入端加一個可選的緩存A1。對于增益HP支路，所用到的可選回路如圖14B所示，對于反相增益或衰減HP支路，所用到的可選回路如圖14C所示。圖13. 低通(LP)支路：a基本；b同相增益；c反相增益圖14. 高通(HP)支路：a基本；b

15、同相增益；c反相增益UAF42的輔助運放未被使用如果UAF42的輔助運放未被使用，把它連接為接地的單位增益跟隨，如圖15所示，這樣可以保持它的輸入輸出在運算的線性區(qū)域內(nèi)，以防止偏置異常影響UAF42上的其他運放。圖15. 連接為接地的單位增益跟隨的輔助運放奇數(shù)階逆切比雪夫低通濾波器中去掉LP支路通過去掉LP支路和在第一階極對/零支路中構成實極，可簡化奇數(shù)階逆切比雪夫低通濾波器。為了在第一階極對/零支路中構成實極，可與加法放大器的反饋電阻RZ3并聯(lián)一個電容C1。實極的頻率需與LP支路的頻率相同，實現(xiàn)的一種方法是，使C1=C2，RZ3=RP，CP與RP的大小由LP支路指定，同時，為了保持加法放大器

16、的增益相同，用RP/RZ3乘以RZ1和RZ2。圖16A和16B所示為修改過的3極回路，它是一個347Hz截止的逆切比雪夫低通濾波器。這個例子來自一個需要陷波為400Hz系統(tǒng)電源噪聲的低通濾波器的應用，設置截止在347Hz，制造400Hz的陷波。標準濾波器（圖16A）由兩個支路組成，LP支路后連接PP4支路。在這個簡化了的結構中（圖16B），加法放大器的反饋電阻RZ3與一個0.01F的電容并聯(lián)，其阻值在10K130 K間變化。注意RP和CP的大小與LP支路（圖16A）中的大小相同。為正確設置加法放大器的增益，電阻RZ1和RZ2乘以RP/RZ3（130 K/10K）。RZ1和RZ2必須大于2 K，

17、以防止運放輸出過載。如果必要，可通過減小CP來增大RZ1、RZ2和RZ3。圖16A. FilterProTM 設計的347Hz三極逆切比雪夫低通濾波器注：為了確定正確頻率的實極和設置正確的加法放大增益，極對支路需做以下改變，RZ3改為RP，增加CP與RZ3并聯(lián)，電阻RZ1和RZ2乘以RP/RZ3圖16B. 簡化的347Hz三極逆切比雪夫低通濾波器（消除LP輸入部分）Q增大當實極部分fOQ100KHz，頻率超過3 KHz，運放增益帶寬局限性會導致Q的誤差，并且增益達到最大。為了減弱這種影響，程序依照Q補償算法，自動減小設計的Q來補償誤差（1）。當出現(xiàn)這種情況時，UAF42濾波器件值的報告上，Q的

18、值上會標上星號，來表明該值為理論Q值，不是實際設計的Q。實際設計的Q標記為QCOMP。FilterProTM程序的使用在每個數(shù)據(jù)都輸入后，程序自動算出濾波器的參數(shù)，允許用電子表格設計方式。例如，你可以快速決定，反復實驗，期望的衰減需要多少極點。入門指南第一次使用該程序時，你可以按以下步驟進行：輸入FILTER42按回車開始程序使用方向鍵移動光標至Filter Response1）選擇濾波響應從以下四種響應中選擇，低通、高通、帶通、陷波（帶阻），按回車確定。當期望的響應出現(xiàn)后，把光標移動至Filter Type。2）選擇濾波類型光標移動至期望的濾波類型，按下回車。選擇的濾波類型會是高亮的并且用星

19、號標記，有四種濾波類型可選：巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫、逆切比雪夫。如果選擇了切比雪夫，你也必須輸入紋波（即通帶紋波），見切比雪夫濾波說明。如果選擇了逆切比雪夫，必須輸入AMIN（即阻帶最小衰減或最大增益），見逆切比雪夫濾波說明。3）輸入濾波器階數(shù)光標移至Parameters 處的Filter Order，輸入濾波器階數(shù)n（210）。4A）輸入濾波頻率光標移至Parameters 處的Filter Frequency，低通/高通濾波：輸入f-3dB或截止頻率；帶通濾波：輸入中心頻率fCENTER；帶阻（陷波）濾波：輸入陷波頻率fNOTCH；如果選擇的是高通或低通濾波，進行步驟5。4B）輸入濾波

20、器帶寬如果設計帶通或帶阻（陷波）濾波器，移動光標至Bandwidth，輸入帶寬。如果帶寬處沒有輸入，并按下了回車，你可以輸入fL和fH來代替帶寬。fL和fH是f-3dB點，對于巴特沃斯和貝塞爾濾波，相當于中心頻率，對于切比雪夫，它們是紋波帶的末端。這種輸入模式會迫使中心頻率和陷波頻率的改變。5）打印器件的值按F4來打印出濾波器件的值和濾波方框圖，按照此濾波實現(xiàn)的報告的說明，組成一個可用的濾波器。繪圖功能的使用繪圖功能可便于你觀察濾波增益和相頻特性的曲線，對比較濾波器很有幫助。按F2鍵查看當前濾波設計的圖形。圖形顯示命令查看圖形時，可用到以下指令：F1或S：保存當前設計的圖形；F2或R：重新顯示

21、保存的圖形，畫出當前設計的圖形；F3或：繪制一條0 dB參考線。圖形顯示光標控制當查看圖形時，可以用方向鍵移動光標，查看繪制的濾波響應的增益和相位。電阻器的值輸入每個參數(shù)后，程序會自動算出電阻器的值。如果需要連接外部電容，程序會為你選擇的濾波器，選擇標準電容值并計算確切的電阻值。顯示菜單中的1% Resistors選項可用于計算最接近標準1%的電阻值來代替精確的電阻值。使用這項功能時，移動光標至Filter Response的resistors處，按下回車鍵。程序會在精確電阻和標準1%電阻間切換。電容的選擇10Hz以上的偶數(shù)階濾波器不需要外部電容，奇數(shù)階濾波器需要一片外部電容來設置低通和高通部

22、分的實極。對于高性能的濾波器來講電容的選擇是很重要的。電容的性能可以很大程度上使濾波器偏離理想狀態(tài)，引起電阻和電感的串聯(lián)，限制了品質(zhì)因數(shù)Q。同時電容電壓的非線性會引起失真。UAF42的1000pF電容是鐳射精調(diào)至0.5%的高性能類型。如果需要外部電容，推薦電容類型是：NPO陶瓷、銀云母、金屬化聚碳酸酯、溫度高于85、聚丙烯或聚苯乙烯。高介電常數(shù)的普通陶瓷電容，比如“high-k”型，應避免使用，否則會引起濾波電路故障。運算放大器的選擇通?？刹捎肬AF42的獨立四運放，來實現(xiàn)需要的低通、高通或增益級。如果一定要使用外加運放，選擇一個可以提供適當?shù)腄C精度、噪聲、失真和速率的運放是很重要的。運放的轉換速率運放的轉換速率需大于VOPP帶寬，以滿足全功率響應。例如，100kHz ，20VP-P輸出需要的運放轉換速率應至少為6.3V/s。BURR-BROWN提供了一種極佳的用于高性能有源濾波的運放。下表提供了一些很好的選擇。TA = 25C, VS = 15V，除非另外說明，最大/最小性能參數(shù)是指高檔型號注：（1）FPR是依轉換速率計算的20VP-P的全功率響應。（2）這些運放有FET輸入。（3）共模輸入電容。運算放大器帶寬一般來說，在低通和帶通中，運算放大器的帶寬應至少為50GAI