用LTC1563取代分立式低通濾波器零設(shè)計(jì)工作量、兩個(gè)項(xiàng)目物料清單和意外

Doug La Porte

LTC?1563 系列連續(xù)時(shí)間、單片式濾波器產(chǎn)品將低通濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻器值計(jì)算：

R = 10k ? （256kHz/fC)

其中
R = 電阻值，單位為歐姆
fC= 濾波器的截止頻率，單位為赫茲
（256Hz ≤ fC≤ 256kHz）

就是這么簡(jiǎn)單。借助任何基本計(jì)算器（或計(jì)算尺），過(guò)濾器只需幾秒鐘即可完成。

利用 LTC1563，不僅設(shè)計(jì)過(guò)程輕松，而且最終結(jié)果是一個(gè)易于構(gòu)建的電路，該電路完全指定用作濾波器 — 而不僅僅是運(yùn)放、電阻器或電容器。此外，布局靈敏度降至最低，您只需指定一個(gè)無(wú)源元件 — 電阻器。

低通濾波器——傳統(tǒng)方法

濾波器設(shè)計(jì)通常被視為一個(gè)神秘的、令人生畏的數(shù)學(xué)過(guò)程。通常通過(guò)使用帶有系列零件設(shè)計(jì)表的濾波書(shū)，然后進(jìn)行頻率和阻抗縮放來(lái)避免復(fù)雜的微分方程和橢圓積分。昂貴的CAD程序可以幫助完成大部分工作，但這些工具并不總是可用的。最終設(shè)計(jì)需要運(yùn)算放大器以及多個(gè)電阻和電容值。

設(shè)計(jì)過(guò)濾器后，仍有幾個(gè)組件、性能和布局問(wèn)題需要解決。哪種電容器類(lèi)型最好？電路將具有多大的動(dòng)態(tài)范圍？布局寄生效應(yīng)的影響是什么？必須回答所有這些問(wèn)題才能創(chuàng)建完成且堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。

低通濾波器 — LTC1563 方法

利用 LTC1563 設(shè)計(jì)低通濾波器輕而易舉。LTC1563 系列目前有兩個(gè)器件 — LTC1563-2 和 LTC1563-3。LTC1563-2 被配置為提供一個(gè)單位增益、四階巴特沃茲低通濾波器，其中截止頻率 （fC） 由單個(gè)電阻值設(shè)置（需要六個(gè)電阻來(lái)形成濾波器，但它們的值都相同）。類(lèi)似地，LTC1563-3 提供了一個(gè)單位增益、四階貝塞爾低通濾波器，其中的截止頻率也由單個(gè)電阻器值設(shè)定。電阻值由上述簡(jiǎn)單公式計(jì)算。

圖 1 示出了采用 LTC1563-X 的典型單電源應(yīng)用的原理圖。LTC1563-2 （巴特沃思） 和 LTC1563-3 （貝塞爾） 的頻率響應(yīng)，截止頻率為 100kHz 如圖 2 所示。階躍響應(yīng)如圖3所示。通常選擇巴特沃茲響應(yīng)是因?yàn)槠淦教沟耐◣г鲆妫◤闹绷鞯浇咏刂诡l率）和相當(dāng)尖銳的拐角。貝塞爾酒店 犧牲角落清晰度，獲得完美的步進(jìn)響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖和振鈴。

圖1.典型的LTC1563-X單電源應(yīng)用。

圖2.100kHz貝塞爾和巴特沃茲濾波器的頻率響應(yīng)。

圖3.100kHz貝塞爾和巴特沃茲濾波器的階躍響應(yīng)。

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不犧牲性能

LTC1563-X 的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單并不意味著濾波器的性能會(huì)受到影響。這些部件都是經(jīng)過(guò)充分表征的濾波器產(chǎn)品，保證了濾波器的噪聲、失真和動(dòng)態(tài) 范圍性能都是眾所周知的。根據(jù)信號(hào)電平和帶寬，LTC1563-X 提供了一個(gè)約 90dB 的動(dòng)態(tài)范圍，從而使這些器件適合于 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外，LTC1563-X 還支持采用 2.7V 至 ±5V 電源電壓的軌至軌輸入和輸出操作。LTC1563-X 還具有一個(gè) 1.5mV 的典型輸出 DC 失調(diào)和一個(gè) 10μV/°C 的輸出 DC 失調(diào)漂移。 低頻應(yīng)用（fC≤ 25.6kHz）可以利用該器件的低功耗模式，在該模式下，電源電流降至約1mA。

LTC1563-X 采用窄體 16 引腳 SSOP 封裝 （SO-8 占位面積）。該器件的引腳排列使布局變得簡(jiǎn)單，因此基本上消除了走線(xiàn)寄生效應(yīng)。這些特性與 LTC1563-X 的 2% 頻率準(zhǔn)確度相結(jié)合，造就了一個(gè)緊湊、一致和穩(wěn)健的濾波器。最后，您可以獲得所需的濾波器，具有已知的動(dòng)態(tài)范圍和最小的生產(chǎn)變化 - 這并不奇怪。

還包括帶增益的切比雪夫?yàn)V波器

盡管 LTC1563-X 的配置導(dǎo)致了上述易于設(shè)計(jì)的濾波器，但這些器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需使用不等值的電阻器即可實(shí)現(xiàn)完全的傳遞函數(shù)自由度。

LTC1563-X 由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的二階濾波器組成，以構(gòu)成一個(gè)四階濾波器 （這些部分相似但不完全相同）。二階截面在數(shù)學(xué)上由三個(gè)參數(shù)定義：增益、f或頻率和 Q 值。LTC1563-X 的每個(gè)部分都需要三個(gè)電阻器來(lái)構(gòu)成二階部分。每個(gè)增益，f或Q 三元組對(duì)應(yīng)于獨(dú)特的 3 電阻解決方案。憑借這種設(shè)計(jì)靈活性，幾乎 任何全極點(diǎn)濾波器都是可以獲得的。LTC1563-X 還可級(jí)聯(lián)以形成 8 階濾波器。此外，通過(guò)一個(gè)額外的電阻和一個(gè)電容，可以構(gòu)建奇次濾波器（例如，一個(gè)帶有一個(gè)部件的五階濾波器）。

圖4所示為截止頻率為0kHz、通帶增益為1dB的150.10dB紋波Chbyshev濾波器的原理圖。這只是 LTC1563-X 可實(shí)現(xiàn)的多種濾波器設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。這些其他傳遞函數(shù)（不是單位增益、四階巴特沃斯或貝塞爾）的設(shè)計(jì)有點(diǎn)復(fù)雜。獲得良好、可靠的設(shè)計(jì)的最佳方法是使用 凌力爾特的 FilterCAD 過(guò)濾器設(shè)計(jì)軟件（3.0 或更高版本）.

圖4.0.1dB、150kHz、切比雪夫低通濾波器，直流增益為10dB。

結(jié)論

LTC?1563 系列濾波器產(chǎn)品以極少的設(shè)計(jì)工作量提供了無(wú)憂(yōu)的結(jié)果。憑借其易用性、一致的結(jié)果和設(shè)計(jì)靈活性，LTC1563 可能是滿(mǎn)足所有 過(guò)濾器應(yīng)用程序。

審核編輯：郭婷