【文章內(nèi)容簡介】 ，即放大器的反相輸入具有低阻抗。相比之下，電壓反饋放大器的輸入都是高阻。 電流反饋運(yùn)放的輸出是電壓，并且它與流出或流入運(yùn)放的反相輸入端的電流有關(guān)，這由稱為互阻抗(transimpedance)的復(fù)雜函數(shù)Z(s)來表示(圖3－6)。在直流時(shí)，互阻抗是一個(gè)非常大的數(shù)，并且像電壓反饋運(yùn)放一樣，它隨著頻率的增加具有單極點(diǎn)滾降特性。電流反饋運(yùn)放靈活性的關(guān)鍵之一是具有可調(diào)節(jié)的帶寬和可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因?yàn)榉答侂娮璧臄?shù)值實(shí)際上改變放大器的交流環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性，所以能夠影響帶寬和穩(wěn)定性兩個(gè)方面。加之具有非常高的壓擺率和基于反饋電阻的可調(diào)節(jié)帶寬，可以獲得與器件的小信號(hào)帶寬非常接近的大信號(hào)帶寬。在甚至更好的情況下，該帶寬在很寬的增益范圍內(nèi)大部分都維持不變。而因?yàn)榫哂泄逃械木€性度，可以在高頻大信號(hào)時(shí)獲得較低的失真。由于放大器的交流特性部分地取決于反饋電阻，能夠針對(duì)每一個(gè)特定的應(yīng)用“量身定制”放大器。圖3－6互阻抗Z(s)降低反饋電阻將提升環(huán)路增益。為了保持穩(wěn)定性和最大的帶寬，在低增益時(shí)，反饋電阻要設(shè)置為較高的數(shù)值；隨著增益的上升，環(huán)路增益降低。如果需要高的增益，可以利用較小的反饋電阻來部分地恢復(fù)路增益。表3－7是來自器件的數(shù)據(jù)表，該表說明了對(duì)給定增益的推薦反饋電阻。表3－7 AD811反饋電阻于增益的關(guān)系圖3－8增益為1 可以看到，對(duì)增益為1的放大器需要采用600Ω的反饋電阻來獲得最優(yōu)化的性能。這是因?yàn)榄h(huán)路增益很高，較大的電阻值對(duì)于穩(wěn)定性是必需這就是與電壓反饋架構(gòu)的主要差異。圖3－9增益為10對(duì)增益為10的放大器推薦采用510Ω的電阻，它具有最佳的增益平坦度、建立時(shí)間和速度的組合。增益設(shè)置電阻現(xiàn)在僅僅是56Ω，所以我們獲得的輸入緩沖電阻和增益設(shè)置電阻的值相近。這就降低了運(yùn)放的閉環(huán)互阻抗，并將隨著增益的提高而開始限制帶寬。對(duì)于更高的增益，一旦不能降低反饋電阻來提高增益，帶寬將受到損失，而且放大器開始呈現(xiàn)電壓反饋放大器的特性。一般來說，在電流反饋放大器或高速器件的應(yīng)用中，要仔細(xì)考慮的事情之一就是電路板的布局設(shè)計(jì)。表面安裝的陶瓷電源旁路電容要非?？拷撈骷湫途嚯x小于3mm。如果需要更大的電容，可以在電路板上較遠(yuǎn)的地方布置電解電容。電路板上常常有電壓調(diào)節(jié)器，這時(shí)，在電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)商推薦的電解電容之外，不必要采用額外的電解電容。 布置在放大器附近的小陶瓷旁路電容為放大器的高頻響應(yīng)提供能量。根據(jù)放大器的速度和被放大的信號(hào)速度，可能要采用兩個(gè)數(shù)值大約相差10倍的陶瓷電容。例如。 當(dāng)采用電容時(shí)，自諧振頻率至關(guān)重要，自諧振頻率在此頻率(400MHz)上下的電容毫無益處。地和電源層有助于為地電流和電源電流兩者提供低的阻抗路徑，在放大器的輸入和輸出引腳以及反饋電阻的下面，要避免走地和電源層，這樣做有助于通過減小不想要的寄生電容來維持放大器的穩(wěn)定性。 電路板的布線應(yīng)該保持盡可能地短，并應(yīng)該調(diào)整其長寬以最小化寄生效應(yīng)。在電源布線上，最壞的寄生特性是直流電阻和自感，所以電源布線要盡可能地寬。DDS正弦500mVpp信號(hào)經(jīng)AD811放大10倍后既可得到5Vpp正弦信號(hào)，信號(hào)輸入到74HC14兩級(jí)施密特觸發(fā)器得到穩(wěn)定的5V TTL電平方波，作為MAX262時(shí)鐘源。圖3－10 74HC14施密特整形電路第四章MAX262可編程濾波器設(shè)計(jì) SCF的基本原理RC有源濾波器由電阻R、電容C和運(yùn)放組成。SCF的基本原理是以開關(guān)電容來模擬有源濾波器中的電阻月， 從而克服了集成電阻精度和穩(wěn)定性都差的缺點(diǎn)。所以一般SCF是由開關(guān)、電容和運(yùn)放組成。在集成電路中開關(guān)是由MOS晶體管的交替通斷來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)電容和一對(duì)開關(guān)可模擬一個(gè)電阻，其等效電阻與開關(guān)的開關(guān)頻率成反比。圖 4－1說明了其工作原理。圖 4－1 SCF的基本原理根據(jù)歐姆定律，電壓Vin 加到一個(gè)電阻上將產(chǎn)生電流：I=Vin/R (1)現(xiàn)在考慮圖(b)的電路。圖中輸入電壓Vin 通過開關(guān)S1和S2 加到C上，使電容充放電。電容上總的電容量Q可表示為： Q＝Vin/C (2)當(dāng)S1斷開，S2閉合時(shí)，電荷Q流到地端。對(duì)于固定的Vin開關(guān)頻率越高單位時(shí)間內(nèi)流過的電荷越大，而電流是流過電荷的速率，所以電路中平均電流為：I＝Q/T=VinC/T=VinC*fclk (3)其中T是開關(guān)S1的開關(guān)周期，fclk=1／T是開關(guān)頻率。由方程(3)可寫出電路的等效電阻為： R＝Vin/I=1/( C )*fclk (4)可見等效電阻是C和fclk的函數(shù)，所以改變fclk可改變電阻值。一個(gè)單極點(diǎn)有源積分器如圖(c)所示，其截止頻率f0為：f0=1/2RC (5)將R用開關(guān)電容電阻來代替(圖(d))可得： f0=fclk*Ca/2*Cb (6) 所以截止頻率與時(shí)鐘頻率和電容比Ca/Cb成正比。改變fclk可改變截止頻率f0。 SCF的主要特性在近年來SCF集成電路的開發(fā)和應(yīng)用中，SCF表現(xiàn)出許多優(yōu)異的特點(diǎn)。同無源LC濾波器和有源RC濾波器相比，SCF具有以下一些主要特性：(1)SCF為單片集成，體積小，功耗低。(2)SCF的轉(zhuǎn)折頻率(或截止頻率)的精度較高。有源RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取決于RC乘積。而一般集成電容的精度最高只能達(dá)到10％，因此集成的RC濾波器的頻率響應(yīng)誤差也將達(dá)到10％。SCF的轉(zhuǎn)折頻率取決于電容比和時(shí)鐘頻率，雖然精密集成電容不易制造，但電容比則很易控制到小于1％。所以SCF轉(zhuǎn)折頻率的精度也相應(yīng)提高。(3)對(duì)已制好的SCF來說，只需一個(gè)時(shí)鐘源來控制SCF的轉(zhuǎn)折頻率。如轉(zhuǎn)折頻率的精度要求很高，可使用外接晶振提供穩(wěn)定的時(shí)鐘。而且通過改變時(shí)鐘頻率可得到頻帶實(shí)時(shí)可調(diào)的濾波器， 也可得到一個(gè)掃頗濾波器。(4)SCF的通用性已經(jīng)接近了門電路或運(yùn)放的通用性。同樣一塊芯片可用來設(shè)計(jì)一個(gè)低通、帶通、高通、帶限或仝通濾波器； 濾波器的頻率響應(yīng)可選擇巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)、貝賽爾函數(shù)濾波器中的一種；濾波器的帶內(nèi)紋波也可選擇； 品質(zhì)因數(shù)0可在大范圍內(nèi)改變，最低0值可小于0 1，而最高0值可大于100。(5)不需使用分立電容、電感元件。分立電感，電容體積大，精度差，溫度靈敏度高，最易影響濾波器的精度。(6)SCF得到廣泛應(yīng)用的最重要原因在于它的使用靈活方便性。一般LC濾波器和RC濾波器設(shè)計(jì)過程非常繁復(fù)，通常需要精密的分立元件，并且調(diào)試非常困難。濾波器的性能指標(biāo)稍有改變，則必須從頭開始選擇合適的分立元件值。另外這樣的濾波器設(shè)計(jì)周期也較長。相同的性能指標(biāo)如用SCF來實(shí)現(xiàn)就要簡單得多。我們只需在眾多的SCF芯片中選擇合適的一種，并加上適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率即可 許多新近面世的通用性好的SCF芯片可用程序控制。濾波器特性的改變可在瞬間完成。SCF集成電路的類型和功能近年來隨著SCF市場需求的增加，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品品種日益增多。目前市場上SCF產(chǎn)品品種繁多，并不斷有新的產(chǎn)品問世。如果從使用的角度對(duì)SCF產(chǎn)品進(jìn)行劃分的話，一般的SCF可分成專用濾波器和通用濾波器兩大類。1． 專用SCF在許多專用集成電路中，SCF只是其中的一部分， 用戶并不能直接使用； 另外的一些SCF蒼片是針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的， 用戶一般不能對(duì)此類專用SCF的特性重新設(shè)置。此類濾波器在通訊中應(yīng)用廣泛。2． 通用SCF與專用型SCF相比，通用型SCF能侈適應(yīng)用戶對(duì)濾波器特性的特定要求。用戶可用一定的方法來改變SCF的參數(shù)從而使SCF能滿足一定的指標(biāo)要求。選用不同的參數(shù)可得到不同的濾波特性。通用型SCF可進(jìn)一步分為兩類，預(yù)構(gòu)(Preconfigued)SCF和多用型(UMversa1)SCF。(1)預(yù)構(gòu)型SCF每一類預(yù)構(gòu)型SCF實(shí)現(xiàn)一種專門類型(巴特沃斯低通、切比雪夫高通等)的濾波器。在通用型SCF中， 預(yù)構(gòu)型SCF的使用最為方便 芯片一般是8個(gè)引腳的塑料封裝。濾波器不需要外接的分立元件。用戶只需提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。預(yù)構(gòu)型SCF的一個(gè)典型側(cè)子是Exar公司的XR—1001/8系列產(chǎn)品。這類產(chǎn)品都是8個(gè)引腳，分別提供四階巴特沃斯低通、橢圓函數(shù)低通和切比雪夫低通濾波。濾波器最大的截止頻率可達(dá)40kHz。時(shí)鐘頻率與轉(zhuǎn)折頻率之比固定為50：1或i00：1。片內(nèi)有振蕩器，因此用戶既可選擇外時(shí)鐘也可選擇內(nèi)時(shí)鐘來設(shè)置截止頻率。National Semic0nduct0r公司的LMF 90提供一個(gè)衰減為30dB的陷波濾波器。時(shí)鐘和轉(zhuǎn)折頻率之比為50：1或100：l。因此僅需在片子上外加一個(gè)時(shí)鐘源就可濾除信號(hào)中的基頻和二次、三次諧波。(2)多用型SCF預(yù)構(gòu)型SCF只能完成一種類型的濾波形式。因此通用性不強(qiáng)。而多用型SCF芯片可實(shí)現(xiàn)各種類型的濾波形式。也即說， 同一塊芯片可用來實(shí)現(xiàn)巴特沃斯、切比雪夫或橢圓函數(shù)濾波， 濾波方式可設(shè)計(jì)為低通、高通、帶通等。這樣的SCF顯然具有很大的靈活性。按照濾波理論，任意的濾波頻響特性可由多個(gè)二階節(jié)的串聯(lián)或并聯(lián)來組成。所以二階節(jié)是濾波器中的基本單元。多用型SCF包含了二階節(jié)的有源部分。一般每個(gè)芯片包含一個(gè)或數(shù)個(gè)二階節(jié)。多個(gè)二階節(jié)串聯(lián)起來就組成了高階濾波器。多用型SCF從編程的類型來分可分為：電阻可編程、引腳可編程和處理器可編程ScF三種：① 電阻編程(Resi stor programmable)SCF電阻編程SCF包含了二階節(jié)的有源部分。用戶需要在合適的引腳上加反饋電阻以提供合適的反饋通道。在所有SCF中電阻編程SCF提供了最大的靈活性。改變這類SCF中反饋電阻的數(shù)值，濾波器截止頻率，o和0值都可得到精密控制， 同時(shí)也控制了濾波器頻響特性的類型(切比雪夫、巴特沃斯等)。除了提供50：1和100：l的標(biāo)稱時(shí)鐘截止頻率比以外，用戶可通過改變反饋電阻以獲得需要的頻率比。每個(gè)二階節(jié)都有低通、高通、帶通、帶限和全通輸出端， 用戶可根據(jù)需要選擇一端作為輸出。但是這類器件要獲得特定的顴率特性，反饋電阻的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜。而一般一個(gè)二階節(jié)需三到六個(gè)反饋電阻。所以組成高階濾波器時(shí)需接多個(gè)反饋電阻。③ 引腳編程(Pin Pfogrmmab1e)SCF電阻可編程SCF過去一直是SCF市場的主流產(chǎn)品。直到美國Maxim公司的Max260系列的引腳或處理器可編程SCF面世， 這一局面才被打破。電阻編程ScF雖然靈活性強(qiáng)，但不易使用 引腳編程SCF和下面的處理器編程SCF是靈活性和使用方便性的折衷。這兩類產(chǎn)品以開關(guān)電容替代了原來所需的外接反饋電阻。在芯片內(nèi)開關(guān)電容排列成一排， 因此用數(shù)字控制的方法可改變開關(guān)電容的并聯(lián)數(shù)目，從而改變等效的反饋電阻值，以政變?yōu)V波器頻率特性。但是控制精度受到了芯片提供的控制位數(shù)目的限制。 MAX262MAX262是COMS 雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，由微處理器精確控制濾波函數(shù)。它可構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器，且不需外部器件。每個(gè)器件含兩個(gè)二階濾波器，在程序控制下設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器工作方式。輸入時(shí)鐘頻率與B 位f0編程輸入代碼一起決定濾波器的中心頻率或截止頻率，不影響其他濾波參數(shù)。濾波器Q值也可獨(dú)立編程。每個(gè)濾波器的獨(dú)立時(shí)鐘輸入端可以連接晶體、FC 網(wǎng)絡(luò)或外部時(shí)鐘發(fā)生器。片內(nèi)開關(guān)和電容提供反饋以控制每個(gè)濾波器的f0和Q。內(nèi)部電容的開關(guān)速率是影響這些參數(shù)精度的主要因素，盡管這些開關(guān)—電容網(wǎng)絡(luò)（SCN）實(shí)際上為采樣系統(tǒng)，但它們的特性可與連續(xù)濾波器（如FC 快速濾波器）的特性相媲美。時(shí)鐘頻率與中心頻率之比（fclk/f0）保持高值，以便保持理想的二階狀態(tài)變量響應(yīng)。MAX262使用的采樣比（fclk/f0）范圍較MAX260或MAX261低，因此其工作頻率f0和信號(hào)帶寬較大，中心頻率范圍可達(dá)140k。但這也導(dǎo)致它較 MAX260/MAX261更偏離理想連續(xù)濾波器參數(shù)。而這些偏差可采用MAXINM 的濾波器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。圖 4－2 MAX262MAX262引腳功能如下：V＋——正電源輸入端。V——負(fù)電源輸入端。GND——模擬地。CLKA——外接晶體振蕩器和濾波器A部分的時(shí)鐘輸入端,在濾波器內(nèi)部,時(shí)鐘頻率被2分頻。CLKB——濾波器B部分的時(shí)鐘輸入端,同樣在濾波器內(nèi)部,時(shí)鐘頻率被2分頻。CLKOUT——晶體振蕩器和R C振蕩的時(shí)鐘輸出端。OSCOUT——與晶體振蕩器或R C振蕩器相連,用于自同步。INA、INB——濾波器的信號(hào)輸入端。BPA、BPB——帶通濾波器輸出端。LPA、LPB——低通濾波器輸出端。HPA、HPB——高通、帶阻、全通濾波器輸出端。WR——寫入有效輸入端。接V＋時(shí),輸入數(shù)據(jù)不起作用。接V時(shí),數(shù)據(jù)可通過邏輯接口進(jìn)入一個(gè)可編程的內(nèi)存之中,以完成濾波器的工作模式、f0及Q的設(shè)置。A0、AAA3——地址輸入端,可用來完成對(duì)濾波器工作模式、f0和Q的設(shè)置。D0、D1——數(shù)據(jù)輸入端,可用來對(duì)f0和Q的相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置。OP OUT——MAX262的放大器輸出端。OP IN——MAX262的放大器反向輸入端。在本設(shè)計(jì)中，MAX262使用A通道，高通與低通通過固態(tài)繼電器切換：圖 4－3 MAX262設(shè)計(jì)原理圖在本設(shè)計(jì)中，選取濾波器模塊進(jìn)行設(shè)置，CLKA連接AD9851所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，高低通的切換通過固態(tài)繼電器進(jìn)行切換。SCF實(shí)際上是一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，所以它具有數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的所有噪聲來源。輸出波形往往呈小的階梯形，所產(chǎn)生的量化噪聲一般在時(shí)鐘頻率處產(chǎn)生尖蜂，這就是SCF的時(shí)鐘泄漏。另外根據(jù)采樣定理，輸入信號(hào)中高于1／2時(shí)鐘頻率的成分將會(huì)折疊到通帶內(nèi)產(chǎn)生混疊噪聲。為防止混疊，一般的時(shí)鐘與轉(zhuǎn)折頻率之比50。因此通常只要在SCF前加一個(gè)簡單的RC網(wǎng)絡(luò)， 混迭的影響可得到限制。另