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  • 一种常用的二阶滤波电路

    千次阅读 2020-02-14 22:48:38
    二阶滤波电路有两种结构: Sallen-key和多路反馈(KFB) A = 1+R4/R3 MFB型滤波器基本电路如下所示。该电路有两条负反馈支路,并且运算放大器是作为一个无限增益器件来反馈支路,并且运算放大器是作为一个无限...

    原文:http://m.elecfans.com/article/689036.html

     

    二阶滤波电路有两种结构: Sallen-key和多路反馈(KFB)

    A = 1+R4/R3

    MFB型滤波器的基本电路如下图所示。该电路有两条负反馈支路,并且运算放大器是作为一个无限增益器件来反馈支路,并且运算放大器是作为一个无限增益器来使用的,所以称为无限增益多端反馈电路

    A = -R2/R1

    高通滤波: 把低通滤波的电阻用电容代替,再把滤波器的电容用电阻代替,就可以产生高通滤波

    A = 1+R4/R3

    A = -C2/C1

    基本上有4种类型的有源滤波器。他们巴特沃斯,贝塞尔,切比雪夫和椭圆滤波器。

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  • 本节讲一下硬件系统中常用的滤波电路,主要包括芯片的滤波电路,一些模拟芯片的滤波电路,模拟电路的滤波电路。 基本上是项目中遇到的一些实际情况。 SoC常用的滤波电路有这么几类:储能电容,旁路电容,RC滤波,LC...

    本节讲一下硬件系统中常用的滤波电路,主要包括芯片的滤波电路,一些模拟芯片的滤波电路,模拟电路的滤波电路。

    基本上是项目中遇到的一些实际情况。

    SoC常用的滤波电路有这么几类:储能电容,旁路电容,RC滤波,LC滤波,pi型滤波等。

    储能电容

    下图2个10uF的电容就是储能电容。

    一般电路系统中的电源输出端是DCDC或者LDO,那么从电源输出端到用电器件/SoC管脚还会有一段不短的距离,而储能电容都是靠近用电器件/SoC管脚摆放。否则的话,过长的供电路径会造成电量抽载时供电不稳。

    储能电容的大小,主要依赖于用电消耗,不同的用电器件需求不同,要根据规格书/设计指导/参考电路来选择。

    深入到芯片内部来说,主要是动态消耗部分所决定的,这个和电路原理(IP核),制程工艺都相关,一般来说,IP复杂度越高,芯片制程工艺越落后,动态功耗就会越大。

    储能电容的数量,一般要求SoC的每个功能块至少一个,不同的功能块之间最好不要共用。

    储能电容的容值选择,从100~470UF的电解电容,到22uF,10uF,2.2uF,1uF的陶瓷电容都会出现。

    一般是沿用参考设计的,而参考设计则是从芯片模型电源完整性仿真,实际测试最终形成的——这部分一般来说只有SoC厂商有能力做,甚至很多也没有仿真能力。而下游的产品研发/生产商没有这个能力,所以很难做改动。

    下图是TI的某投影SoC所用

    下面两图是英特尔的某笔电平台所用(22uF,2.2uF,1uF)

        

     

    如果参考设计用的储能电容比较多,实际产品中由于PCB面积受限等,无法实现,必须缩减的情况下,缩减到多少为好呢?

    严格来说,这要通过电源仿真来确认。但是,一般情况下芯片模型数据,公司技术能力等都有限,没办法去做这样的仿真,主要是依据经验和产品实测决定。

    迫于成本/体积压力等,必须减少的情况下,那么可以根据实际测量情况来修改,即测量各种工作模式/负载情况下,纹波的频率,依据这些数据来设计。思路上有两种,一是逐步减少,即逐个减少后看测量数据;二是根据经验一次性减少若干个之后,再根据测量数据加回来一些。保障电源纹波不超过芯片要求的情况下,最终形成一种方案。

    由于测量不充分(很难模拟到所有工作模式/可能性等),修改是比较容易产生问题的。笔者曾做过的一款安防产品(DVR)就遇到过这样的问题,原厂参考设计是6层PCB,且储能电容比较丰富,而实际产品所用的PCB是4层板,储能电容也缩减了一些,导致出现了老化过程中死机的问题,最终在SoC的core电源上增加了一颗22uF的储能电容才解决。

    旁路电容

    上图中0.1uF的几个电容就是旁路电容;

    芯片一般要求每个管脚旁边放置一颗。如果SoC管脚比较紧密,无法保障每个管脚旁边放置一颗的话,可以适当减少,比如2~3个管脚共用一颗,距离要靠近,不能太远。或者2~5个管脚共用2可旁路电容。

    LC滤波

    LC滤波在SoC的需求,一般是磁珠+电容的方式,不是电感+电容的方式。

    比如下图,就是海思3521芯片的PLL部分的参考电路。可以看到,是用100R/100MHz磁珠+1uF+0.1uF的电容构成。

    通常,LC滤波用于一些要求略高的功能模块,模拟部分,PLL部分等。纯数字部分一般用储能电容+旁路电容的方式就能满足需求。

    下图是海思3521芯片的PLL部分

    下面两图是英特尔的某笔电平台所用(22uF,2.2uF,1uF)

      

     

    pi型滤波

    pi型滤波是SoC对电源要求更高的情况下才会使用的。

    下图是英特尔某笔电平台的Audio Codec所用;

         

     

     

    如果要求更高的话,还会用到三端滤波器,如下图所示。

       

     

     

    RC滤波

    RC滤波一般用的比较少,实在没办法才会用到。一般是用个几欧姆的电阻,比如5.1欧姆,后面是储能电容和旁路电容。一般来说,SoC工作的情况下,等效电阻也就是几欧姆,到十几欧姆,所以这种LC滤波虽然能有效减小纹波,但是也会容易导致压降比较大,芯片无法工作。

    下图是英特尔某笔电平台所用,此处是0R,根据情况会做调整,一般不超过5.1R。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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  • 1.运放的有源滤波器 上是典型的有源滤波电路(赛伦-凯 电路,是巴特沃兹电路的一种)。 有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减,而且滤波特性对电容...滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为:巴特

    1.运放的有源滤波器

    在这里插入图片描述
    上图是典型的有源滤波电路(赛伦-凯 电路,是巴特沃兹电路的一种)。

    有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减,而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。

    该电路的设计要点是:在满足合适的截止频率的条件下,尽可能将R233和R230的阻值选一致,C50和C201的容量大小选取一致(两级RC电路的电阻、电容值相等时,叫赛伦凯电路),这样就可以在满足滤波性能的情况下,将器件的种类归一化。其中电阻R280是防止输入悬空,会导致运放输出异常。
    滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为:巴特沃兹,单调下降,曲线平坦最平滑;

    巴特沃兹低通滤波中 用的最多的是赛伦凯乐电路,即仿真的该电路。

    一个滤波器,要知道其截至频率是多少,或者能写出传递函数和频率响应也可以。

    如果该滤波器还有放大功能,要知道该滤波器的增益是多少。
    在这里插入图片描述
    当两级RC电路的电阻、电容值相等时,叫赛伦凯电路,在二阶有源电路中引入一个负反馈,目的是使输出电压在高频率段迅速下降。

    二阶有源低通滤波电路的通带放大倍数为 1+Rf/R1 ,与一阶低通滤波电路相同;
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    截止频率为
    在这里插入图片描述
    注明,m的单位为欧姆, N的单位为 u
    在这里插入图片描述
    所以计算得出 截止频率为
    在这里插入图片描述
    切比雪夫 ,迅速衰减,但通带中有纹波;
    贝塞尔(椭圆),相移与频率成正比,群延时基本是恒定。

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    1、一种常用的无源低通滤波电路

     

     

    上图由RC组成的低通滤波电路很常用,在直流信号处理中常常会出现。熟悉RC微积分电路的可知,这不只是RC积分电路,其实积分电路具有低通滤波的功能。

     

    下图电压采集电路中就使用到了该滤波电路。

     

     

    2、稳压二极管稳压电路

     

     

    看似简单,其实就一个电阻和一个稳压二极管,但对初学者来说并不容易。不是随便选择满足稳压要求的二极管再配个电阻就可以,电阻R的大小选多少合适?这是要根据稳压管的正常工作电流范围以及电压负载的大小进行匹配的。

     

    最好了解稳压二极管的U-I曲线图以及整个稳压过程。

     

    3、电压比较器电路

     

     

    如上图,电压比较器的原理是这样的,当V1>V2时,输出为低电平(GND)。

     

    4、运算放大电路

     

     

    上图为同相运放电路原理,输出公式为:VO=VI×(1+R2/R1)

     

     

    上图为反向输入运放原理,输出公式为:VO=-VI×(R2/R1)。

     

    要学会运用运放正负输入端"虚断"与"虚短"的原理,进行推算。

     

    • 虚短指在理想情况下,两个输入端的电位相等,就好像两个输入端短接在一起,但事实上并没有短接。

    • 虚断指在理想情况下,流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大,就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路。

     

     

    END

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