多級低通有源濾波器的設(shè)計考慮因素

　　二階階躍響應(yīng)所需的壓擺率峰值計算

　　多級有源濾波器的每一級都會產(chǎn)生輸出電壓轉(zhuǎn)換，這就要求限制最大 dV/dT。在這個由階躍響應(yīng)主導(dǎo)的例子中，如果該 dV/dT 超過了選定的運算放大器的額定壓擺率，階躍響應(yīng)通常會大幅偏離預(yù)期值。因此，在謹(jǐn)慎的增益和 Q 值排序方法中，我們需要考慮內(nèi)部和輸出級對 dV/dt 峰值的隱含要求。頻域主導(dǎo)的應(yīng)用會對每一級輸出都有隱含的壓擺率要求。在這種情況下，以總體響應(yīng)的 SFDR來作為 標(biāo)準(zhǔn)會更加有意義，但這方面的討論已經(jīng)超出了本文的范圍，不過可以得出與本例使用的階躍響應(yīng)主導(dǎo)的分析類似的結(jié)論。

　　雖然多級有源濾波器內(nèi)部實際的波形在時域上可以非常復(fù)雜，但可以采用合理的保守方法，把每一級當(dāng)成受到了理想的輸入階躍激勵來分析。任何真實的濾波器產(chǎn)生的級間輸入的邊緣速率都會低于理想階躍，這樣就給我們一些設(shè)計裕量，并允許使用較為簡單的等式。

　　如果我們假定任一二階低通濾波器級受到理想輸入階躍激勵后會產(chǎn)生 Vopp 的目標(biāo)擺幅，我們就可以通過分析輸出時間波形得出 dV/dt 峰值。有意思的是，其結(jié)果在文獻(xiàn)中很難找到，不過從參考資料 4(等式 55)，我們可以得到一個簡單的近似等式，如等式 1 所示。

　　等式 1

　　如果我們知道理想的輸出端完整步長以及第二級的 F-3db，這個近似等式可以幫助我們很方便地得出 dV/dt 峰值。我們可以通過下面的式子從目標(biāo)濾波器極點得到F-3dB

　　等式 2

　　根據(jù)設(shè)計 1 和設(shè)計 2 所舉的例子，每一級 F-3db 的值計算如表 1 所示。(記住我們保持 Q 值和 Fo 排序不變，只是簡單地分配了不同的增益，使濾波器內(nèi)部的階躍幅度不同)

　　表 1.

　　那么我們再來觀察 Q 值最高的一級，這一級通常也有最高的 Fo，也就是最大的帶寬。如果我們能夠推測出固定的最大輸出 Vpp 標(biāo)準(zhǔn)，就可以讓等式 1 的結(jié)果落在更小的范圍內(nèi)。最簡單的方法是隨 F-3db 帶寬的增加，降低所需的 Vstep。設(shè)計 1 實際上就是通過在輸入級使用更低的增益做到了這一點。而設(shè)計 2 顯示了沒有降低較高 Q 值級(圖 6)所需的 Vstep 得到的壓擺率結(jié)果(如圖 6 所示)。圖 6 顯示的設(shè)計 1 和設(shè)計 2 的壓擺率是以 4Vpp 的最終輸出目標(biāo)擺幅為條件得出的。具體是使用等式 1 計算出該輸出條件下的壓擺率(使用 2 倍乘數(shù)以得到額外裕量)，然后用該級標(biāo)稱擺幅除以該級標(biāo)稱增益得出由前一級進(jìn)入最后一級的步長，最后使用該擺幅和該級的 F-3db 計算所需的壓擺率，依次類推回第一級。

　　每個 Q 值較高的級都會在階躍響應(yīng)中產(chǎn)生相當(dāng)大的過沖。設(shè)計 1 通過讓有較高過沖的級的擺幅較低，并從輸入到輸出逐步增大階躍擺幅來避免削波。設(shè)計 1 的階躍響應(yīng)仿真運行結(jié)果(參考資料 1)得出的階躍響應(yīng)如圖 7 所示。該圖展示了通過濾波器每一級的輸入和輸出電壓。注意擺幅的逐漸增大和最終輸出級極低的過沖。這是這種類型濾波器形態(tài)的典型特征。其在 +/-2.5V 雙極電源下產(chǎn)生 +/-2V 雙極性擺幅。

　　圖 7. 設(shè)計 1 的階躍響應(yīng)仿真

　　相比之下，設(shè)計 2 的階躍響應(yīng)在級間出現(xiàn)了削波，導(dǎo)致非常不理想的仿真響應(yīng)結(jié)果。這是因為第一級的增益較大導(dǎo)致設(shè)計中較早出現(xiàn)了大擺幅。如圖 8 所示，仿真中宏模型正確的預(yù)計到第二級的輸出會出現(xiàn)削波，而最后一級將其干凈地濾除了。

　　圖 8. 設(shè)計 2 的階躍響應(yīng)出現(xiàn)削波