高精度低噪聲濾波電路設(shè)計(jì)

TI 高精度設(shè)計(jì)是由TI 模擬產(chǎn)品專(zhuān)家創(chuàng)建的模擬解決方案。經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)提供理論分析、器件選型、完整的印刷電路板(PCB)、可使用電路經(jīng)測(cè)試過(guò)的性能。還討論了滿(mǎn)足可替代設(shè)計(jì)目標(biāo)的電路修改。這個(gè)電路被設(shè)計(jì)為將低頻噪聲(0.1Hz 至10Hz)放大至可由示波器輕松測(cè)量的電平幅度。它采用一個(gè)0.1Hz二階的高通濾波器和一個(gè)10Hz四階的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。0.1Hz至10Hz 噪聲測(cè)量是放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中常見(jiàn)的關(guān)鍵參數(shù)。這個(gè)設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化0.1Hz 至10Hz 噪聲測(cè)量，常用于不同封裝類(lèi)型的運(yùn)算放大器。

設(shè)計(jì)總結(jié)此設(shè)計(jì)要求如下：電源電壓：+/-15V 直流，或+/-2.5V 直流。輸入：噪聲(nV)，由放大器確定準(zhǔn)確的幅度輸出：噪聲(mV)，大到能在示波器上讀出來(lái)?？傇鲆妫?00dB，100，000V/V，濾波器增益：40dB,100V/VTable 1中總結(jié)了設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能。圖示了此設(shè)計(jì)電路測(cè)試到濾波器的響應(yīng)。

工作原理：這個(gè)電路的目的是將低頻噪聲放大至可被典型示波器測(cè)量到的電平幅度這個(gè)測(cè)量值是放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的常見(jiàn)關(guān)鍵參數(shù)。這些測(cè)量中采用的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為0.1Hz 至10Hz.很多高精度放大器大概有參考于輸入噪聲為100nVpp數(shù)量級(jí)的總噪聲。這個(gè)電路的增益將設(shè)計(jì)為使得輸出到示波器輸入端的信號(hào)在10mVpp 或更大的值。請(qǐng)注意，當(dāng)直接用BNC接頭連接時(shí)，很多示波器分辨率可達(dá)到1mV/格的顯示精度。此測(cè)試器件(DUT) 處于高增益工作狀態(tài)，此時(shí)它是主要的噪聲源，而級(jí)聯(lián)濾波器電路內(nèi)的噪聲不是很明顯。這個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器的目的是為了具有低噪聲、精確的濾波器截止頻率和精確的增益。低頻噪聲規(guī)格總是以DUT等效的輸入噪聲為參考。示波器測(cè)得的噪聲為10mVpp。通過(guò)用輸出噪聲除以總增益計(jì)算得到RTI噪聲。在這個(gè)示例中，總增益為100,000 (10 x 1,000)，所以用輸出噪聲除以總增益得到RTI噪聲(Vn-RTI = 10mV / 100,000 = 100nVpp)。

中顯示這個(gè)設(shè)計(jì)電路更完整的原理圖。第一級(jí)是在測(cè)試器件(DUT)。在這個(gè)器件上配有插槽以實(shí)現(xiàn)不同封裝器件的輕松測(cè)試。跟隨DUT 的三個(gè)級(jí)聯(lián)電路組成一個(gè)0.1Hz(二階)至10Hz(四階)帶通濾波器。目的是將OPA827 上的低頻電壓噪聲放大至可由示波器容易讀出的電平幅度。0.1Hz 至10Hz 的帶寬選擇是一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

第一級(jí)-DUT這個(gè)電路的用途是測(cè)量運(yùn)算放大器的低頻噪聲。第一級(jí)是我們希望測(cè)試的運(yùn)算放大器，被稱(chēng)為測(cè)試器件(DUT)。如所示，DUT 是一個(gè)高增益(1000x)電路以確保其噪聲是整個(gè)電路的主要噪聲源，跟隨的后級(jí)運(yùn)放電路噪聲可忽略。設(shè)置增益的并聯(lián)電阻組合被選擇為最大限度地減少電阻熱噪聲(Req = 100kΩ || 100Ω = 99.9Ω)。顯示電阻和熱噪聲之間的關(guān)系。在這個(gè)電路中，由等效電阻Req = 99.9Ω產(chǎn)生的噪聲大約為1.1nV。

第二級(jí)是一個(gè)增益為10 的高通濾波器。德州儀器(TI) 公司的軟件工具Filter-proTM 可用來(lái)設(shè)計(jì)此類(lèi)型濾波器。可選擇一個(gè)二階的Butterworth，Sallen-Key，高通濾波器等濾波器選用最大平坦幅度的Butterworth 頻率響應(yīng)Sallen-Key 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被使用，這是因?yàn)樗a(chǎn)生更多合理的器件值;也就是說(shuō)，電容和電阻在可用的范圍內(nèi)，以選用低成本高精度器件。

第三級(jí)是增益為10 的10Hz 低通濾波器。此濾波器為一個(gè)二階Butterworth 多反饋高通濾波器。Butterworth 頻率響應(yīng)被選為最大平坦幅度。多反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被使用，這是因?yàn)樗a(chǎn)生更多合理的器件值;也就是說(shuō)，電容和電阻在可用的范圍內(nèi)，以選用低成本高精度器件。

第四級(jí)是一個(gè)增益為1 的10Hz 低通濾波器。它與第三級(jí)相似，但是增益為1.第三級(jí)和第四級(jí)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)4th階低通濾波器。此濾波器被設(shè)計(jì)為一個(gè)二階，Butterworth,多反饋，高通濾波器。Butterworth 頻率響應(yīng)被設(shè)計(jì)為最大平坦幅度。多反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被使用，這是因?yàn)樗a(chǎn)生更多合理的器件值;比如說(shuō)，電容和電阻可選用有效的參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)低成本高精度器件選型。