概要

　　常見的多級低通有源濾波器的增益排序方法是把大部分乃至全部增益放在第一級。如果只考慮要降低低頻的輸入?yún)⒖荚肼暎@是正確的設(shè)計方法。然而，其它的幾種考慮因素可能會使您改變這種增益排序，以實現(xiàn)更為出色的實施方案。這些需要考慮因素包括：每級特征頻率范圍內(nèi)的噪聲峰值效應(yīng)、高 Q 值高增益級的過沖導(dǎo)致壓擺范圍受限和/或削波、可靠實施所需的放大器帶寬。本文將對上述情況進(jìn)行描述，為其找出相應(yīng)實施方案，并對這些方案的效果進(jìn)行詳解。

　　多級低通有源濾波器的設(shè)計考慮因素

　　每個多級有源濾波器設(shè)計人員都不得不為各級 Q 值的排序以及每級該分配多少增益的問題而大傷腦筋。如果濾波器的總增益要大于 1，最簡單的設(shè)計方法就是把大部分乃至全部的增益放在第一級。經(jīng)過正確分析得出這種方法可以實現(xiàn)最低輸入?yún)⒖键c(diǎn)噪聲(當(dāng)噪聲頻率遠(yuǎn)低于濾波器特性頻率時)。另外，對于標(biāo)準(zhǔn)的多極點(diǎn)設(shè)計，需要從低到高布置一系列的 Q 值。在哪里布置 Q 值最高的一級是一個非常重要的考慮因素，實際上也是實施方案成功與否的關(guān)鍵。這些 Q 值最高的一級會出現(xiàn)最高的輸出噪聲峰值處，也是最有可能導(dǎo)致壓擺范圍受限和/或者削波的階躍響應(yīng)過沖的地方。許多工具把這一級放在最前面，這恰與將大多數(shù)增益放在第一級的目標(biāo)相沖突。有些工具則把大多數(shù)增益放在最后一級，結(jié)果導(dǎo)致噪聲峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過必要水平，增大了濾波器輸出的整體噪聲。某些工具則采用折中方法，把 Q 值最高的一級放在中間(針對 4 階以上而言)，這種方法似乎非常適用于某些應(yīng)用。

　　在采用有自身性能限制的真實部件來真正構(gòu)建這些濾波器時，上述的考慮就不再是紙上談兵。使用一種近期開發(fā)的在線設(shè)計工具(參考資料 1)，可以開發(fā)出多種能夠?qū)崿F(xiàn)相同目標(biāo)頻率響應(yīng)的案例。在選擇不同的增益和 Q 值排序的情況下，它們的階躍響應(yīng)、噪聲以及要求的放大器性能裕量會大相徑庭。

　　當(dāng)然，只有在設(shè)計的低頻通帶總增益大于 1 的情況下才需要考慮增益排序。增益和 Q 值排序問題也適用于多級反饋 (MFB) 或無窮大增益拓?fù)?，同時這里將使用 Sallen Key 濾波器 (SKF) 來說明問題和結(jié)果。有資料顯示特定 SKF 級實現(xiàn)的增益是受限的(參考資料 2)。這只在阻容解決方案受到某些其它限制時才會出現(xiàn)。一般假設(shè)需要等電容設(shè)計，實際上這將限制一級可實現(xiàn)的最小增益。然而，對于板級實施方案來說，等電容假設(shè)是人為的，可能對于針對集成的設(shè)計流程更有用處。這里的設(shè)計不局限于等阻或是等容，讓設(shè)計可以實現(xiàn)通帶內(nèi)任何需要的增益。不過，需要注意的是，隨著增益的增加，這會加劇濾波器對組件變化和增益變化的靈敏度。一級增益的增加要求該級用于設(shè)置濾波器和增益的阻容元件具有更高的阻容容差。當(dāng)然現(xiàn)可立即提供這樣的元件。

　　參考資料 1 的設(shè)計流程傾向于增大電阻，讓電阻產(chǎn)生的噪聲與運(yùn)算放大器固有噪聲相比可忽略不計。同時設(shè)置 1/R2C2 極點(diǎn)，使之降低濾波器級的內(nèi)部噪聲增益峰值(圖 1)

　　圖1. 基本的 SKF 二階低通濾波器