如何選擇模擬信號(hào)鏈組件：第 4 部分

運(yùn)算放大器用于二階濾波器和儀表放大器。

在本系列的第 3 部分中，我們描述了如何使用運(yùn)算放大器構(gòu)建一些單極點(diǎn)濾波器。

圖 1.雙電容Sallen-Key拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了二階低通濾波器。

問：我們?nèi)绾螛?gòu)建高階濾波器？
答：圖1顯示了使用Sallen-Key拓?fù)涞囊环N低通濾波器方法。它有兩個(gè)電容器，是一個(gè)二階濾波器。

問：我們?nèi)绾芜x擇特定截止頻率的分量值？
答：這取決于我們要設(shè)計(jì)的濾波器類型。表1列出了幾種類型，我們可以根據(jù)優(yōu)化相位響應(yīng)和群延遲、通帶幅度平坦度、滾降或紋波的偏好進(jìn)行選擇。

表 1.過濾器類型和特性。

一旦我們選擇了，我們就可以利用在線過濾器設(shè)計(jì)工具為我們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。表2列出了三個(gè)：

表 2.在線運(yùn)算放大器濾波器設(shè)計(jì)工具。

問：它們是如何工作的？
答：首先，他們?cè)儐柲欠裥枰屯ā⒏咄āɑ驇ё铻V波器。然后，它們會(huì)將您帶到一個(gè)頁(yè)面，讓您指定截止頻率、紋波、直流增益和濾波器類型。在圖 2 中，我選擇了一個(gè)低通 1 kHz 巴特沃斯濾波器：

圖 2.濾波器設(shè)計(jì)工具允許您輸入截止頻率等參數(shù)。資料來(lái)源：德州儀器（TI）濾波器設(shè)計(jì)工具。

然后，我單擊“選擇”，該工具將元件值添加到圖 1 的 Sallen-Key 電路中（圖 3）：

圖3.設(shè)計(jì)工具計(jì)算無(wú)源元件值。資料來(lái)源：德州儀器（TI）濾波器設(shè)計(jì)工具。

問：等等，那么這是巴特沃斯濾波器還是薩倫鍵濾波器？
答：它是使用 Sallen-Key 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器可以在其他模擬拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)，也可以以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵是巴特沃斯響應(yīng)遵循以下方程，其中 n 等于濾波器順序：

圖 4 繪制了該傳遞函數(shù)，并將其與切比雪夫 1 型二階濾波器響應(yīng)進(jìn)行了比較。

問：關(guān)于運(yùn)算放大器，我還應(yīng)該了解哪些信息？
答：對(duì)于測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用，儀表放大器是一個(gè)有用的工具。如圖 5 所示，它由兩個(gè)緩沖器和一個(gè)差分放大器組成，正如我們?cè)诘?2 部分中討論的那樣，您可以自己構(gòu)建一個(gè)。但是，您也可以購(gòu)買封裝版本，讓供應(yīng)商解決阻抗匹配等問題。

 問：它是如何工作的？
答：差分放大器提供共模抑制。由于所有相關(guān)的電阻器RD在圖5中，差分放大器的增益為1，并且V外= V3–V4.但請(qǐng)注意，差分級(jí)的輸入阻抗很低，即使使用理想的運(yùn)算放大器也是如此。如果RD等于 10 kW，差分級(jí)輸入阻抗為 20 kW。因此，我們添加了緩沖器以提供高輸入阻抗，這對(duì)于測(cè)量來(lái)自高輸出阻抗傳感器的信號(hào)非常有用。

問：什么是R獲得？
答：這是您添加到設(shè)置增益的外部電阻器。要查看電阻器對(duì)增益的影響，我們可以計(jì)算通過它的電流：

我們還可以表達(dá)我獲得就V1和V2（請(qǐng)記住，每個(gè)緩沖器的反相輸入端的電壓必須等于其同相輸入端的電壓，器件才能在線性范圍內(nèi)運(yùn)行）：

然后我們可以計(jì)算傳遞函數(shù)：

問：還有哪些其他類型的功放？
答：到目前為止，我們已經(jīng)討論了電壓輸入/電壓輸出運(yùn)算放大器。相比之下，跨阻放大器具有電流輸入和電壓輸出，跨導(dǎo)放大器具有電壓輸入和電流輸出。下次我們將通過了解這些設(shè)備及其應(yīng)用來(lái)結(jié)束本系列。