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  • 發布時間:2020-10-06 00:55 原文鏈接: 有源濾波器設計工具比較(三)

    噪聲增益(NG)峰值和環路增益(LG)分析

    MFB拓撲固有的噪聲增益頻率響應隨著頻率的變化達到峰值。峰值的產生歸因于期望的頻率響應極點和噪聲增益零點——它們被控制產生或多或少的帶內峰值,同時仍能提供期望的閉環響應形狀。圖1電路的MFB噪聲增益由公式1給出,公式的分子(用于求解傳遞函數零點)是盡可能根據目標響應形狀而寫出。

    除了內環中的1/(R2C2)積分環節外,分子完全受到期望的濾波器極點所限制。這表明可以使用積分環節比例,在一定限度范圍內移動零點。MFB噪聲增益的零點總是實數,但可以用熟悉的、類似于公式1中分母的ωz和Qz格式來描述。Qz總是 < 0.5,表明有2個實零點。為得到ωz和Qz以及零點,求解公式1的分子部分,得到公式2和3,它們根據期望的有源濾波器極點ω0和Qp來寫出。

    零點落在期望的濾波器f0的上方和下方,將Qz增加到0.5將使下面的零點頻率上升。這樣可以隨頻率降低峰值噪聲增益,為任何所選運放增加通帶LG。

    表3中的每種方案都可以使用公式1對NG形狀進行分析,使用公式3得出Qz,并解出較低噪聲增益零點。然后使用公式1可以為表3中的不同RC方案生成不同NG與頻率關系曲線,如圖6所示。這表明所有針對相同閉環響應的方案在峰值NG上有巨大差異。

    將NG曲線與LMP7711的Aol曲線結合,并產生差值作為LG,可以得到最小環路增益。圖7中的示例計算了表3中Intersil RC方案的噪聲增益,顯示了LMP7711的17MHz Aol曲線,以及相應的LG。

    所有二階低通MFB LG圖都表現出與圖6相似的特征。關鍵點包括:

    LMP7711的Aol曲線使用17MHz GBW。從40dB增益線上看,它穿過170kHz并乘以100倍可以看出;

    NG曲線顯示了f0附近的峰值特性。在這種情況下,對于表3中使用Intersil RC值的設計示例,其峰值降低了(如圖6所示);

    對于期望的濾波器形狀,當NG跌落到f-3dB以上時,LG在接近最大噪聲增益處達到最小值,且在從此處到約10倍f-3dB頻率的范圍內保持相對平坦;

    NG因設計中的反饋電容,在較高頻率處接近0dB(1V/V)。這表明需要有單位增益穩定的運放,解決這個約束的方法是在反相輸入端使用一個額外的接地電容。在基于FDA的MFB濾波器設計中,為改善回路相位裕度,需要時可以在輸入端跨接一個差分電容器,以便在LG = 0dB交叉處形成更高的噪聲增益。

    f0附近的最小LG與濾波器響應形狀通過幾種方式相互影響:

    由于環路增益最低,這會是響應中的峰值增益誤差頻率;

    這也會是整個響應范圍內的最大閉環輸出阻抗;

    最小環路增益也意味著最小諧波失真抑制。

    增益帶寬調整程序通常包含運放Aol影響,但很少包含輸出阻抗峰值。LG減小了特定器件的開環輸出阻抗,但開環輸出阻抗可能本身電抗非常大,直到最近才在現代軌到軌輸出器件中良好地建模。

    表4總結了4種不同工具給出的4種方案示例的噪聲增益Qz、得到的較低噪聲增益零點、NG峰值和最小環路增益。報告的峰值噪聲增益是在20 * log(11V/V)=20.8dB的DC值上的增加。11V/V的DC噪聲增益是假定,該反相式濾波器是由零歐姆電源所驅動。

    在可能的情況下,最好在其它約束條件內拉高較低的噪聲增益零點,使其盡可能接近f0。IntersilRC解決方案已經這么做了,此時來自DC噪聲增益(20.8dB、11V/V)的峰值降低了——比Filterpro解決方案低大約2.6dB。請注意,所有4種解決方案中的峰值NG都明顯高于響應形狀中的1dB目標峰值。較低的噪聲增益零點控制該最大NG峰值,它對此峰值不太大的低通有源濾波器設計中的最小環路增益值和SNR影響最大。全部4種設計的最小環路增益都相對較低,這是所選的17MHz GBW器件使然。使用更高(高于此處所選17MHz)的GBW器件有幾個理由:

    響應形狀的標稱偏差離期望目標更低;

    f0區域的最小LG更高;

    更低的輸出諧波失真;

    更低的閉環輸出阻抗——與響應形狀的精度和精確驅動負載的能力相互影響。

    從這里的最小GBW設計開始,使用更快的運放會直接影響最小LG。例如,使用150MHz的OPA300與17MHz的LMP7711,會使表4中的最小LG增加20log(150/17) = 18.9dB。面向時域的應用通常更接受較低的最小LG。在需要最低諧波失真的地方,應考慮采用速度更快且靜態電流增加最小的器件。

    表5總結了使用修改后的LMP7711模型的4個設計示例的性能。顯然,RC方案的微小差異會導致最終標稱性能顯著不同。

    評論和建議總結

    本文詳細評估了標稱擬合精度和一些動態范圍。所有4種工具都使用理想運放,獲得了很好的標稱擬合精度——選擇E96步長電阻值時,標稱擬合誤差 < 0.6%。所有的響應形狀都偏離了目標,包括一款真正的運放——因此不應期望得到符合目標的完美標稱擬合。使用最小增益帶寬放大器進行操作可以顯著節省功耗,但應與GBW調整方法結合使用,以減少標稱擬合誤差。


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