一種低成本壓控濾波器的實現

摘要： 本文介紹了采用電源電流可連續調節的運算放大器，實現壓控濾波器的方法和原理。

關鍵詞： 運算放大器；電壓控制濾波器；數字模擬轉換器

在語音和音樂合成領域，常使用壓控濾波器對產生的聲音信號進行包絡整形。但由于成本高、所需外圍器件多，設計較復雜，多數此類器件不適合嵌入式系統應用。實現壓控濾波器功能的另一途徑是采用電源電流可連續調節的運算放大器，如美國國家半導體公司的LPV531型運算放大器。該放大器的電源電流可以在1uA~400uA的范圍內連續調節。放大器電源電流的調節可通過一個10位數字模擬轉換器DAC101S101進行。在該方案中，放大器的增益帶寬是電源電流的函數。圖1顯示了LPV531的電源電流對其增益帶寬和相位裕度的影響。

圖1  LPV531的增益帶寬與電源電流的關系

LPV531及DAC101S101的特點

LPV531是美國國家半導體的一款可編程、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運算放大器。僅借助一只外置電阻即可實現對LPV531的增益帶寬調節和功率級別調節。通過改變外置電阻上的偏壓即可使LPV531在待機和滿功率模式之間進行切換。該運算放大器工作在最低頻率73KHz時的功耗僅為5uA，工作在最高頻率4.6MHz時的功耗僅為425uA。

輸入偏置電壓相對比較獨立，不會受到功率級別選擇的影響。LPV531采用了CMOS輸入級，輸入偏置電流僅有50fA，共模輸入電壓范圍可從負電壓到正電源電壓以下1.2V。同時，LPV531軌到軌的AB類輸出階使其在低電源電壓時也可以提供最大的動態范圍。LPV531的典型參數如下：
*2.7V~5.5V電源電壓；
*5uA~425uA連續可編程電源電流；
*輸入共模電壓范圍-0.3V~3.8V；
*共模抑制比95dB；
*軌到軌輸出電壓擺幅；
*1mV輸入偏置電壓；
*73KHz~4.6MHz連續可編程增益帶寬；
*小體積的SOT23-6封裝，適用于手持電子設備和便攜式應用。

在此方案中采用數字模擬轉換器調節放大器的電源電流，DAC101S101是美國國家半導體公司的一款全功能通用10位電壓輸出型數字模擬轉換器。它使用單電源供電，電壓范圍為2.7V~5.5V，在3.6V工作電壓時的電流僅為175uA。片上的輸出放大器使其輸出軌到軌擺幅。在規定的電源電壓范圍內，其三線串行接口的時鐘頻率可高達30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標準。DAC101S101的典型參數如下：
*+0.15/-0.05LSB的DNL；
*輸出穩定時間：8uS；
*零代碼誤差：3.3mV；
*滿幅誤差：-0.06% FS；
*可靠單調性；
*低功耗和省電模式；
*上電自動零電壓輸出；
*同步中斷功能；
*工業溫度范圍：-40℃~+105℃；
*小型TSOT-6和MSOP-8封裝，適用于電池供電的設備。

電源電流的控制

LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進行動態控制(圖4)。電源電流隨ISEL線性變化，比ISEL電流高40倍。內部相對于電源負極的110mV參考電壓以及一個11k歐姆的內部電阻決定了在ISEL引腳連接到電源負極時所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。用下式可計算出電源電流的近似值：

圖2中的曲線顯示了REXT和ISEL的關系。

為了實現一個電壓控制的濾波器，必須把ISEL電流設計成依賴于電壓而不是電阻。

實現方法及原理

圖3顯示了利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的電路圖。圖中使用了10位數字模擬轉換器DAC101S101構成的電壓源和一個電阻分壓器來控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓通過由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比設為可把數字模擬轉換器0~5V輸出變為加到ISEL引腳0.0~0.11V電壓。這樣運算放大器LPV531的-3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來控制。

圖3利用DAC101S101和LPV531組成的電壓控制濾波器

當控制電壓幾乎為0V時，ISEL電流由RSET1和RSET2的并聯電阻確定。當控制電壓大于零時，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南(Thevenin)等效電壓和阻抗確定。下式可用來計算放大器的電源電流：

通常假設RSET1遠小于RSET2。這種情況下，控制電壓為0V時，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1確定。此外，ISEL的電流小于10uA，與電壓源電流相比很小。在給定RSET1和最大控制電壓時，可下式計算RSET2的電阻值：

圖3顯示了LVP531用作單位增益緩沖器的情況。在這類應用中，為了適應輸入和輸出的信號水平，也可以把運算放大器接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。

圖4和圖5分別是控制電壓為0.5V和3.0V時的開環增益相位圖。

圖4  0.5V時的開環增益相位

圖5  3V時的開環增益相位

結語

本文介紹了如何通過控制電壓來控制微功率運算放大器的電源電流，以此實現用電壓控制濾波器電路的設計。這種設計成本低、所需外圍器件少。