盡量減少組件的變化敏感性的單運(yùn)放

盡量減少組件的變化敏感性的單運(yùn)放 
 
幾十個(gè)過(guò)濾器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多年來(lái)一直制定的，與自身的優(yōu)勢(shì)。然而，工程師往往依靠了這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“食譜”的設(shè)計(jì)方法，可小，但流行群。他們選擇簡(jiǎn)單，不太復(fù)雜的低階設(shè)計(jì)的單運(yùn)放濾波器。但相關(guān)的食譜方法，開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)濾器，乖巧失敗時(shí)，​​工程師們普遍轉(zhuǎn)向更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，深入分析了一個(gè)共同的單運(yùn)算放大器拓?fù)洌⊿allen-Key濾波器）可導(dǎo)致一些有趣的結(jié)果，如果你挖下面的食譜公式水平。 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)|

一個(gè)典型的濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中有三個(gè)主要階段。首先，建立要傳遞的頻率范圍內(nèi)，允許的通帶紋波等，通過(guò)系統(tǒng)的要求確定。接下來(lái)，您確定符合要求，通常選擇標(biāo)準(zhǔn)類型之一：巴特沃斯，切比雪夫，貝塞爾，橢圓形等，這一步的過(guò)程中超出了本文的范圍是一個(gè)傳遞函數(shù)（數(shù)學(xué)過(guò)濾器的描述），但詳細(xì)的信息可在年底上市的參考。

最后一步是提供所需的傳遞函數(shù)的電路設(shè)計(jì)和實(shí)施。設(shè)計(jì)師通常遵循以下類似的戰(zhàn)略，這是很簡(jiǎn)單的食譜時(shí)，拓?fù)洌?

因素進(jìn)入第二階部分的傳遞函數(shù)。選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（拓?fù)洌�，使每個(gè)二階函數(shù)合成獨(dú)立。作為一個(gè)獨(dú)立的二階濾波器設(shè)計(jì)的每個(gè)階段。將導(dǎo)致一系列的二階濾波器。一個(gè)常見(jiàn)的​​食譜方法的限制，可能會(huì)出現(xiàn)在這一點(diǎn)上。單運(yùn)放濾波器往往表現(xiàn)在他們的被動(dòng)元件值的變化非常敏感，高QS（即，最高階的過(guò)濾器）過(guò)濾器是特別敏感。這種敏感性不會(huì)是一個(gè)完美的被動(dòng)元件的問(wèn)題，但實(shí)際組件只提供數(shù)量有限的標(biāo)準(zhǔn)值。食譜計(jì)算，可致電為10.095k電阻器，但實(shí)際可用的最接近的值可能是10.0K。

實(shí)際元件值也各不相同，從單位到單位和反應(yīng)溫度和其他環(huán)境因素的變化。過(guò)濾器的靈敏度，以這些組件的變化可能會(huì)導(dǎo)致它大大偏離其理想的頻率響應(yīng)。在許多情況下，設(shè)計(jì)師，然后變成一個(gè)更復(fù)雜的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
Sallen-Key的拓?fù)?
Sallen-Key濾波器（參考文獻(xiàn)1）是其中最常見(jiàn)的單運(yùn)放濾波器。其低通版本（圖1）有下列設(shè)計(jì)公式：
 
ωn為自然頻率，Q是“質(zhì)量因素”（峰值附近的自然頻率發(fā)生的措施），和K = 1 + RB / RA的直流增益。


圖1。
過(guò)濾器的敏感度元件的差異
自然頻率和Q的敏感性傳遞函數(shù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是有用的。為Sallen-Key濾波器（參考文獻(xiàn)2中的第159頁(yè)），這些敏感性如下：
 
靈敏度為代表的’S’。其標(biāo)是該電路的特點(diǎn)，正在評(píng)估其靈敏度，其標(biāo)是電路元素，其效果正在評(píng)估這一特點(diǎn)。因此，第一靈敏度方程（2A）顯示的Q在R1或R3的變化的敏感性。

S是一個(gè)組件的變化提出相應(yīng)的變化，計(jì)算電路特性的電源。例如，你可能已經(jīng)注意到，所有的自然頻率敏感的權(quán)力，要么-1 / 2或0。當(dāng)S = -1 / 2和組件由一個(gè)因素的變化而變化“A”，自然頻率變化-0.5（即1 /√一）。因此，新的自然頻率，將原來(lái)的頻率除以√答當(dāng)S = 0時(shí)，頻率不會(huì)改變，因?yàn)锳0 = 1。

參考文獻(xiàn)2涵蓋更詳細(xì)的敏感性，它包括許多上面列出的靈敏度方程的推導(dǎo)。參考3和第4條也有良好的治療這一重要課題。這些方程是如此復(fù)雜，它往往是相當(dāng)困難的選擇所需的固有頻率和Q六個(gè)被動(dòng)元件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低Q值的敏感性，除非你玩弄的方程，并發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情發(fā)生時(shí)，增益（K）的設(shè)置為1。
K = 1時(shí)，簡(jiǎn)化Sallen-Key濾波器
選擇K為直流增益值= 1，我們可以簡(jiǎn)化很大的Sallen-Key濾波器方程。在這種情況下，為Q的方程（方程1C）簡(jiǎn)化為
 
我們還發(fā)現(xiàn)，RA和RB Q的靈敏度為K = 1（方程2D）變?yōu)榱�。這也難怪。設(shè)置K = 1時(shí)配置的運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，它的輸出直接連接到反相輸入端，從而消除了RA和RB。

2A和2C的靈敏度方程代入方程（方程3）簡(jiǎn)化為Q簡(jiǎn)化的公式：
 
Q的靈敏度電阻可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，通過(guò)設(shè)置電阻值相等。當(dāng)R1和R3是完全平等的，敏感度是零。但實(shí)際電阻值是從來(lái)沒(méi)有真正的平等。因?yàn)樗麄兤�離其標(biāo)稱值，靈敏度變?yōu)榉橇�，但仍然非常小。例如�?％的容差的電阻，導(dǎo)致了最壞情況下的靈敏度
 
因此，5％的電阻變化產(chǎn)生0.12％的變化，這是在其他敏感性比較微不足道。即使電阻值不相等，這種敏感性是-1 / 2 +1 / 2之間。在細(xì)看的Q方程顯示設(shè)置：R1 = R3的其他原因：
 
當(dāng)n = 1（即，當(dāng)R3 = R1的），數(shù)量（N +1 / N）有2的最低值。因此，濾波電容器將是平等的價(jià)值當(dāng)Q = 1/2和電阻彼此相等。對(duì)于所有的QS高于1/2（迄今為止最常見(jiàn)的情況），C2必須比C4的大。如果電阻不相等，在C2至C4的比例必須作出更大。為了減少這種電容值的蔓延，因此，電阻值應(yīng)是平等的。

對(duì)于平等的電阻值，方程簡(jiǎn)化為Q
 
花事這個(gè)公式得到的C4 C2，
 
我們可以代入為n的方程（方程1B）的表達(dá)和解決的C4：
 
代入方程（方程7）為C2這樣的結(jié)果，我們得到
 
簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)流程
團(tuán)結(jié)和設(shè)置R1 = R3的設(shè)置的Sallen-Key濾波器的增益，使低靈敏度的單運(yùn)算放大器解決兩個(gè)簡(jiǎn)單的公式過(guò)濾器的設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程如下：選擇一個(gè)合適的電阻值。用于解決電容值方程8日和9。如果C2是過(guò)大，具有較大的電阻值。如果C4是太小了，開(kāi)始與一個(gè)較小的電阻值。如果C4是太小和C2是太大，你已經(jīng)達(dá)到這個(gè)過(guò)濾器的限制。挑選最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)值。兩個(gè)例子說(shuō)明了這種方法，從它的使用所帶來(lái)的好處。
到食譜的方法比較，新方法
第一個(gè)例子來(lái)自筆者幾年前所做的工作。為了盡量減少在生產(chǎn)電路的變化，他重新設(shè)計(jì)了一個(gè)電路（最初創(chuàng)建菜譜技術(shù)），實(shí)現(xiàn)第三階巴特沃斯低通與濾波器的-3dB頻率為4.8kHz。重新設(shè)計(jì)，消除了微調(diào)電位和其相關(guān)的調(diào)整需要。

此過(guò)濾器，需要一個(gè)與Q = 1的第二階階段和4.8kHz自然的頻率。最初實(shí)施的Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和參考文獻(xiàn)2，156至157頁(yè)，其中設(shè)置的電阻值等于（：R1 = R3 = R）和平等的電容值（C2 = C4的=）。選擇C =0.001μF增益（金）= 2和R = 33.2K。該電路的Q敏感性如下：
 
與我們的新方法使用相同的電阻值（33.2kΩ）過(guò)濾器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。方程8和9在C2 = 2000PF和C4 = 500pF的。的敏感性如下：
 
圖2顯示了用于模擬這些電路的原理圖，圖3 SPICE仿真的結(jié)果。這些頻率響應(yīng)圖100種不同的“版本”，為每個(gè)濾波器的蒙特卡羅運(yùn)行的結(jié)果，使用1％公差電阻和5％的電容。對(duì)于每一個(gè)“建設(shè)，”SPICE仿真器，在其規(guī)定的公差范圍內(nèi)隨機(jī)變化​​的元件值。請(qǐng)注意，新的過(guò)濾器在通帶內(nèi)的所有頻率（特別是那些接近自然頻率），大大低于舊變化。


圖2。


圖3。

同樣重要的是要注意，這些模擬的結(jié)果是不是只需要證明電路操作步驟，你也應(yīng)該建立和測(cè)試電路。 SPICE仿真表明一旦AC性能等于實(shí)際電路中，與標(biāo)稱的元件值，你可以使用SPICE仿真蒙特卡洛功能共同評(píng)估電路如何變化的響應(yīng)組件的變化。
級(jí)聯(lián)級(jí)實(shí)現(xiàn)高階濾波器
單位增益的Sallen-Key的方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。它不能提供增益，高Q值濾波器，其電容率可能過(guò)大，使濾波器的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有放大器的階段，往往可以提供所需的增益，但是，如果沒(méi)有，最壞情況下的解決方案是添加一個(gè)單運(yùn)放的增益級(jí)。

高階濾波器通常需要至少有一個(gè)階段，具有非常高的問(wèn)：這個(gè)階段可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的拓?fù)渑c低靈敏度的Sallen-Key電路實(shí)現(xiàn)，而在其他階段。甚至用Q的限制，可以執(zhí)行的Sallen-Key拓?fù)涓唠A傳統(tǒng)與多運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面的例子顯示了這樣一個(gè)過(guò)濾器設(shè)計(jì)，展示老方法在性能上的顯著改善的新程序。標(biāo)稱規(guī)格如下：第七階切比雪夫0.05分貝紋波8kHz的-3dB頻率增益= 10實(shí)際從這些客觀規(guī)范的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)超出了本文的討論范圍，但引用覆蓋，在細(xì)節(jié)的主題。傳遞函數(shù)有三個(gè)復(fù)雜的磁極對(duì)和一個(gè)簡(jiǎn)單的極點(diǎn)：

FN Q
7.834kHz 5.5662
6.560kHz


 1.6636
4.492kHz 0.7882
3.162kHz簡(jiǎn)單

此過(guò)濾器的兩個(gè)版本的原理圖如圖4所示。一個(gè)設(shè)計(jì)菜譜的做法和其他與我們的新方法。一個(gè)單運(yùn)放電路的最后一個(gè)階段提供所需的增益和第七極點(diǎn)。


圖4。

圖5顯示了1％和5％的電阻電容蒙特卡羅分析的結(jié)果。結(jié)果是抵消對(duì)視覺(jué)清晰度的圖形。菜譜版本有一個(gè)約28分貝附近的自然頻率的變化，使該設(shè)計(jì)無(wú)用。相比之下，的unity-gain/equal-resistor的版本有一個(gè)增益只4分貝共振附近變化。


圖5。
Sallen-Key結(jié)構(gòu)與雙二階濾波器
有趣的是，這七階Sallen-Key電路比較多運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)了相同的傳遞函數(shù)。雙二階是一個(gè)非常普遍的三運(yùn)放濾波器提供低敏感性和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)公式。其原理如圖6所示。使用參考文獻(xiàn)2中所描述的技術(shù)，靈敏度如下：
 

圖6。

為我們規(guī)范的雙二階實(shí)施的示意圖如圖7所示。再次，在最后一個(gè)單運(yùn)算放大器的階段執(zhí)行的增益和第七極點(diǎn)。圖8為單位增益的Sallen-Key和雙二階的實(shí)現(xiàn)（結(jié)果再次抵消清晰度）的蒙特卡羅分析比較的頻率響應(yīng)。具有同等的組件，有沒(méi)有在這兩個(gè)過(guò)濾器之間的性能顯著差異。事實(shí)上，Sallen-Key的低頻增益變化是略比的雙二階。


圖7。


圖8。

下表列出了元件數(shù)量，通帶的變化，和第七階濾波器實(shí)現(xiàn)剛才討論的電容值的傳播：

電路通帶變異運(yùn)算放大器，電阻電容器電容的傳播
單位增益S-K4分貝4 8 7窄到寬
平等的R / C-ķ28分貝的4月14日7窄
雙二階4分貝10 20 7窄

擴(kuò)大這些技術(shù)的高通濾波器
我們還可以設(shè)計(jì)出低靈敏度高通濾波器，利用這些技術(shù)。等效的Sallen-Key高通濾波器，如圖9所示。


圖9。

它的設(shè)計(jì)公式和敏感性如下：
 
為低通的情況下，我們可以簡(jiǎn)化設(shè)置K = 1時(shí)，（在這個(gè)例子中）設(shè)置的電容值相等。方程，然后簡(jiǎn)化：
 
結(jié)果是兩個(gè)簡(jiǎn)單的電阻方程，其中C1 = C2 = C的：


 
因此，高通的設(shè)計(jì)過(guò)程是非常類似的低通的情況下，選擇一個(gè)合適的值C.計(jì)算電阻值，使用方程15A及15B。如果R4是太大，開(kāi)始與一個(gè)更大的C值。如果R2是太小了，開(kāi)始與一個(gè)較小的C值。如果R2是太小和R4是太大，那么你已經(jīng)達(dá)到這種類型的過(guò)濾器的限制。挑選最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)值。為了說(shuō)明此過(guò)程中，我們可以設(shè)計(jì)為1.0 Q和的8.0kHz自然頻率與一個(gè)二階高通濾波器階段。首先，選擇C = 1200 pF的。下一步，設(shè)置使用的電阻值方程15A和15B：R2 =8.25kΩ和R4 =33.2kΩ。與前面討論過(guò)的（圖10），低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線沿。


圖10。

在傳播的高通濾波器的頻率響應(yīng)比低通濾波器，嚴(yán)格，特別是周圍的高峰。出現(xiàn)這種情況，因?yàn)槲覀冇玫淖顝V泛的變化最小靈敏度組件：電容器。為低通的情況下，最小的Q靈敏度電阻和電容器靈敏度為1/2。對(duì)于高通的情況下，電阻的靈敏度為1/2，最小靈敏度電容器。我們用1％和5％的電阻電容，因?yàn)榈凸�差的電阻比低公差的電容器更容易。如果您選擇了5％的電阻，兩個(gè)電路表現(xiàn)出了類似的蔓延。
結(jié)論
通過(guò)鉆研Sallen-Key濾波器的元件靈敏度更深入一點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)在數(shù)學(xué)描述，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，單運(yùn)放更復(fù)雜的過(guò)濾器，過(guò)濾器，其性能優(yōu)于“甜蜜點(diǎn)”。在延長(zhǎng)的Sallen-Key濾波器高階更高Q值濾波器的效用，這種做法是有益的，很可能到其他類似的調(diào)查，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將有類似的結(jié)果。
附錄A
小心你的數(shù)學(xué)！
這也是指導(dǎo)說(shuō)明如何巧妙地利用替代性的數(shù)學(xué)表示可以使我們錯(cuò)過(guò)簡(jiǎn)化和忽略電路中的物理關(guān)系。參考2（這里使用的大部分?jǐn)?shù)學(xué)分析源）158頁(yè)上，作者提出一個(gè)單位增益低通Sallen-Key濾波器。他們介紹了參數(shù)M = C4/C2和n = R3/R1簡(jiǎn)化計(jì)算和顯示的Sallen-關(guān)鍵Q的靈敏度，使用這些新的參數(shù)：
 
不更換電阻器和電容器的Q，M和N與他們同等的表達(dá)，我們完全錯(cuò)過(guò)事實(shí)上，靈敏度電容器僅僅是1/2。電阻靈敏度似乎所有的電容器和電阻器的功能，但它實(shí)際上是一個(gè)單獨(dú)的電阻的功能。

這個(gè)故事的寓意是，我們應(yīng)該始終我們的結(jié)果代入實(shí)際的物理量為簡(jiǎn)化檢查。
附錄B
總是懷疑你的SPICE仿真器
基于SPICE仿真正文中所討論的第二階濾波器的原理圖如圖2所示。原來(lái)的過(guò)濾器，一個(gè)LM358的運(yùn)算放大器，一個(gè)5V電源，一個(gè)1.5V的虛擬地面由Vbias1成立的，是這樣安排的，因?yàn)長(zhǎng)M358的不能可靠地?cái)[動(dòng)接近比約（VCC-1.5V）積極的軌道。與5V軌上10％的公差，我們必須假定為4.5V，VCC可作為低，所以1.5V的偏置中心最低可用范圍內(nèi)的信號(hào)。

圍繞新的過(guò)濾器MAX4126，μMAX封裝（1/2足跡的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8引腳SO）在雙運(yùn)算放大器。其輸入共模范圍擴(kuò)展超出了鐵軌。輸出擺幅在200mV的裝在軌卸載時(shí)的幾毫伏，并用250Ω。這種對(duì)稱的輸入和輸出電壓范圍使我們能夠最大限度地通過(guò)設(shè)置在VCC / 2虛地電路的動(dòng)態(tài)范圍。近理想的輸入和輸出電壓范圍相結(jié)合，還簡(jiǎn)化了操作與3V電源。

不顯示這些差異在輸出電壓范圍在交流SPICE分析，我們已經(jīng)運(yùn)行，也不是在任何實(shí)際電路的小信號(hào)交流測(cè)試，他們明顯，只要有足夠的帶寬的運(yùn)算放大器。出于同樣的原因，這些模擬給出幾乎相同的結(jié)果，大多數(shù)的SPICE運(yùn)放模型。只有大信號(hào)瞬態(tài)分析（時(shí)域），可以顯示信號(hào)范圍上的局限性。

優(yōu)秀的工程師，經(jīng)常檢查其運(yùn)行瞬態(tài)分析（時(shí)域），以確保他們正確模擬其電路設(shè)計(jì)。他們也應(yīng)該面包板電路和采取任何模擬結(jié)果與一粒鹽，特別是當(dāng)模擬信號(hào)范圍限制后，侵犯。

圖11包含的兩個(gè)與TopSPICE運(yùn)行瞬態(tài)分析的結(jié)果。第一個(gè)情節(jié)，比較MAX4126和LM358的輸出能力，是一個(gè)用于交流分析的描述相同的電路模擬。每個(gè)輸出加載在虛擬地面終止與溫和2KΩ負(fù)載。


圖11。

第二個(gè)圖顯示了4個(gè)供應(yīng)商提供的LM358和LM324的（LM358的四版）版本之間的差異。一個(gè)模型表明，LM358的開(kāi)車一路到地面，另一個(gè)顯示輸出內(nèi)地面約100mV的到，第三個(gè)顯示輸出達(dá)到350mV的只有約。實(shí)時(shí)電路與實(shí)際設(shè)備的測(cè)試表明，這是更準(zhǔn)確的結(jié)果。最后，最后的模型顯示輸出低于負(fù)軌0.5V！