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技术文章:滤除供电线路外的直流电压

2019-12-04 13:28 来源:电源网编译 编辑:咩咩

有源低通滤波器可以具有广泛的交流响应特性,但是它们都有一个共同点,那就是它们可以通过直流电。像其他模拟处理模块一样,它们因此会在直流偏移和增益或跨度中引入误差。由于所用放大器的失调电压,大多数滤波器配置都会引入直流失调误差。在此处显示的最终电路(再次如图1所示)中,频率响应管理的繁重工作是由活动的“侧链”完成的,并且主信号只是从输入到输出都通过电阻网络。对失调误差的唯一贡献来自放大器输入泄漏电流,该电阻网络上的电压下降。在现代CMOS放大器中,这些泄漏电流很小(至少在室温下)。

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图1  具有低失调电压的直流耦合低通D元素滤波器。

不过,在某些情况下,此配置仍不支持。一种是不能依赖放大器输入电流足够低而忽略不计的地方。即使是使用CMOS放大器,也可能是这种情况,如果滤波器位于地震传感器内,而该传感器位于地面上非常深的热孔底部。乍一看,其他情况似乎根本不是合法案件。那就是您要过滤的电压超出可用于运行有源电路的电源电压的地方。

例如,假设您有数十或数百伏的高值偏置电压,并且您尝试对其进行低通滤波以消除一些纹波,但电路板上只有5伏电源。使电压衰减至“合适”是不可能的,因为您希望滤波后的电压与输入的值相同-只是更干净。

在这种情况下,我们通常不只是使用一个串联电阻(适当低的值)和一个并联去耦电容器吗?可以肯定的是,不管纹波电平是多少,我们都可以通过充分增加所得单极无源低通滤波器的时间常数,将其抑制到可以忽略的水平。但是,您可能已经在自己的设计中遇到了这种麻烦,如果您仅依靠这种简单的方法,则可能会遇到电容器尺寸过大和步进稳定过慢的双重麻烦。

考虑使用高阶滤波器来解决此问题似乎很明显。如果纹波频率非常低,则无源滤波器可能需要不方便的大型电感器。在下一篇文章中,将有更多关于被动方法的信息,以及如何选择实际的过滤器响应。现在,让我们集中讨论无电感器解决方案——有源滤波器。

我们可以使用图1所示的D元素梯形滤波器技术来创建合适的高阶滤波器吗?好吧,不是现在的样子。从示意图中可以看到,一些放大器的输入端子通过电阻路径连接到输入电压,这将设置这些端子上的静态电压。没有切实可行的方法。我们需要的是D元素拓扑,它实际上不会“看到”它所连接的DC电压。而且,尽管我们在使用它,但如果它使用较少的放大器,不是一个好主意吗? (运算放大器制造商不必回答这个问题)。来吧,让我重新介绍一下您可能已经非常熟悉的过滤器配置:

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图2  广受欢迎的多重反馈带通滤波器

这可能是周围最受欢迎的二阶带通滤波器电路,网上充斥着许多信息。现在看来,这在这里似乎并没有太多用处,因为它是一个带通滤波器,并且出现在放大器输出端的滤波后信号不包含输入电压的DC值。好吧,这很传统,我们需要再看看。

想一想在图2中标为J的点上发生了什么。通过检查,您能看到以输入为参考的那个点的频率响应是什么样的吗?好吧,我们知道放大器输出端的电压具有带通特性。我们还可以看到,由C2,R2和放大器组成的模块只是一个微分器,每倍频程的上升斜率为+6 dB。因此,J处的电压乘以该+6 dB /倍频程斜率时,看起来就像是一个带通。为此,J的电压实际上必须相对于输入具有二阶低通响应,如图3所示:

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图3  图2中节点out和J处的电压。V(j)是低通响应。

为什么这样有用?好吧,这表明我们可以制作一个可以“附加”到电阻上的电路,从而使我们不仅可以仅使用并联电容器,而且可以提供更多的阻带抑制性能。您可能会认为这是“超级电容器”。但是这并不是。事实证明(您可以通过一点点手工分析就可以很容易地看出这一点),在C1和C2的交界处,我们的电路看起来像是并联了一个电容C1 + C2和一个D元素C1C2R2的并联组合。如图4所示,看一下电路是比较容易的一点:

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图4  图2侧向看,显示了“隐藏”的D元素

此外,放大器的输出和反相输入都通过电容器连接到电阻器R1。输入电压与滤波电子设备的有效部分之间没有电流连接。这意味着我们可以将所需的任何电压(自然会受到电容器的击穿额定值)施加到该电阻上,而与放大器的电源电压无关。

我们可以将这些链接在一起,以获得一个RDC梯形滤波器,如图5所示:

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图5  将我们的新电路串在一起以制成高阶滤波器

现在,我们还没有制作纯D元件,而是制作了一个并联电容器。当在梯形滤波器电路中使用这些电路代替纯D元素时,我们会得到标准设计方法未涵盖的滤波器电路。等效的LCR无源滤波器(在我们应用Bruton变换之前)包含每个电容器都有一个并联电阻的电容器。我们如何考虑到这一点?下次,我们为该拓扑创建有用的滤波器设计。

而且,您可以看到我们只需要为滤波器的每个分支使用一个放大器即可。图5显示了一个七阶滤波器,它仅使用三个放大器,而不是图1中常规单端接D元素设计所需的六个放大器。

这似乎都是理论上的,并且没有说明“我该如何使用?”。下一次,我将描述一个高阶滤波器的工作示例,该滤波器的高阶偏置电压远远超出了直流电源的可用范围,使用这种方法来满足紧凑的组件大小和解决时间限制,而这些限制仅仅通过“给电容器充电”是无法满足的。这还将涉及更深入地研究截止频率,阻带抑制和建立时间的相互作用,以及我们如何优化这些非标准电路中的值以获得最佳性能。同时,为什么不看一下其他电路呢?(无直流)过滤快乐!

本文编译自planetanalog。

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