[TI]高速陷波滤波器.doc

作者:BriceCarter德州仪器(TI)低功耗无线应用言有源陷波滤波器在过去就已被广泛用来消除50到60Hz的噪声干扰,但在中心频率(f0)的调谐、稳定性和可重复性方面,有源陷波滤波器尚存在不足之处。高速放大器的出现使设计更高速的陷波滤波器成为可能,但这种滤波器具有可生产性吗?本文将介绍目前高速陷波滤波器在实际中可能出现的情况,以及在实际工作中设计人员需要权衡的因素。首先回顾一下陷波滤波器的一些特性:在仿真中所能达到的陷波深度(如图1所示)并不是实际中所能达到的陷波深度,因此设计人员所期望的最好情况是40~50dB。图1仿真陷波深度除了陷波深度外,设计人员还应该注意中心频率和Q值。对于给定的陷波滤波器而言,Q值为-3dB,如图2所示,其既不是陷波深度也不是高于陷波深度3dB的一个点。图2陷波滤波器的Q值请谨记,设计人员的目标并非陷波滤波器本身,而是要抑制一个特定的干扰频率。由于漏掉频率或者是在该频率时抑制性能太弱而无法抑制干扰频率的任何滤波器都是失效的滤波器。避免漏掉干扰频率的最好方法就是在设计之初就选好R和C的值。参考书目1中的“滤波器设计实用程序”下的RC计算器可以用来计算本文随后讨论的电路中的R0和C0的值。拓扑结构经过对大量陷波滤波器拓扑结构的研究发现,一些设计的目标是实现具有如下拓扑结构特征的滤波器:产生陷波(与频带抑制相反);使用一个运算放大器;可以根据中心频率和Q值,利用独立的调整来实现简单的调谐;能在单电源电压下工作;能适应全差动运算放大器。虽然一些电路可以实现其中的一部分功能,但遗憾的是不可能全部实现这些特性。双T陷波滤波器这里值得一提的是图3中的双T拓扑结构,因为可以利用一个运算放大器来实施一个陷波滤波器。由于中心频率难以调整,所以该滤波器并不像想象中的那样灵活。调谐中心频率包括了对3个R0电阻器的同时调整。由于三相电位计体积大、价格昂贵且难跟踪,因此这种调谐工作难以实现,。R0电阻器的不匹配会使陷波深度快速降至10dB以下。图3双T陷波滤波器该电路也有其他一些缺点,其中包括:其需要6个实现调谐的高精度组件,其中的2个组件与其他的4个组件要保持一定的比例关系。如果设计人员想绕开这种比例关系,则需要8个高精度组件才能实现。R0/2等于2个R0并联,且2×C0等于2个C0并联。双T拓扑结构难以在单电源下工作并且不能用全差动放大器来实施。由于要求RQ要远远小于R0,因此电阻值的变化范围变大,该电阻值的变化范围会影响到陷波深度和中心频率。然而,对于仅可以使用单个运算放大器的应用而言,如果设计人员完成了组件的精确匹配或采用了精度非常高的组件,那么双T拓扑结构还是很有用处的。Fliege陷波滤波器Fliege陷波滤波器的拓扑结构如图4所示,该滤波电路与双T结构相比具有以下优势:仅用四个高精度组件(两个RS和两个CS)就可实现中心频率的调谐。该电路的一个重要特点是允许组件的轻度不匹配,其仅会影响中心频率,而不会影响陷波深度。使用两个相同阻值的非关键电阻器就可实现滤波器Q值的独立调谐,且不会影响中心频率。滤波器的中心频率在小范围内的调整对陷波深度的影响不大。图4Fliege陷波滤波器不过,该电路使用了两个运算放大器而并非一个运算放大器,且不能用全差动放大器来实施。设计仿真首先用理论上理想的运算放大器模型进行仿真,随后采用真实运算放大器模型验证,结果与实验室结果接近。表1中所列的是图4中的组件参数值。在进行仿真过程中不存在10MHz或高于10MHz的频率,因为最先是在实验室中测试完成的,而且1MHz是陷波滤波器工作的上限频率。表1陷波滤波器的组件参数值forchart关于电容器:尽管电容只是仿真中的一个参数,但实际中的电容器是由不同的电介质材料制作而成的。对于10kHz而言,电阻器的取值范围将电容器限制在10nF左右。虽然在仿真中的性能很好,但在实验中陷波滤波器却完全失去了该有的特性,因此需要将NPO材料换为X7R材料。由于所使用的10nF电容器的测量值很接近,因此陷波响应损失主要由于不良的电介质材料引起的。需要将电路重置成Q为10的状态,并且使用3-MΩ的电阻RQ。在实际电路中,最好采用NPO电容器。在设计仿真和实验中均使用了表1中的组件参数值。最初的仿真是在没有1kΩ电位计的情况下完成的(两个1kΩ的固定电阻器直接互连,并与底部运算放大器的非反相输入端相连),仿真结果如图5所示。图5调谐前的仿真结果图5中共有9组仿真结果,但每组Q值曲线都叠加在其他的频率上。每种情况下的中心频率都比设计目标的10kHz、100kHz和1MHz稍高。这是设计人员采用标准E96和E12电容器所能达到的最好结果。下面我们来看一下100kHz时的情况:如果有E24序列电容器存在,则会有更接近的等