零偏移主動低通濾波器

作者 : John Dunn,EDN專欄作者

本文是這系列文章的第五部分。圖1中的電路構成一個零偏移、雙極點的低通濾波器,本系列的第1部分(詳見往期雜誌)對此進行了描述。其傳遞函數和代數計算得到的滾降(roll off)結果沒什麼特別之處,該滾降結果也被複製到Multi-Sim SPICE中。

圖1中的電路構成一個零偏移、雙極點的低通濾波器,本系列的第1部分(詳見往期雜誌)對此進行了描述。其傳遞函數和代數計算得到的滾降(roll off)結果沒什麼特別之處,該滾降結果也被複製到Multi-Sim SPICE中。

圖1 零偏移低通濾波器的滾降結果沒什麼特別之處。

這幾乎是複製的!但後來發現,由於當時還沒有討論與SPICE有關的故障,因此出現了一個問題,它涉及到人們對運算放大器模型的選擇。

圖2顯示了該濾波器的三種SPICE模擬情況,說明了對運算放大器建模的三種選擇。

圖2 這些低通濾波器模擬說明了運算放大器建模的三種選擇。

運算放大器U1是SPICE庫中默認的「虛擬」運算放大器。雖然是虛擬的,但它不是「理想」的運算放大器。U1的增益有限而不是無限,頻寬有限而不是無限,並且U1的回應速度有限而不是無限,這些約束條件確實很重要。

運算放大器U2是另一種虛擬元件,但U2的增益、頻寬和速度幾乎可以擴展到SPICE程式所允許的範圍,這樣就使U2看起來像個理想的運算放大器,兩者的比較請參見圖3。

圖3 上述結果表示與U1相比,U2可以進一步理想化或增強。

運算放大器U3是個實際元件的SPICE庫模型,三種濾波器的模擬結果如圖4所示。

圖4 對濾波器模擬結果進行比較以評估運算放大器。

U1的模擬一開始像預期的那樣發生滾降,但後面出現一個陷波頻率,但是求得的Eo/E1代數方程式不會產生任何這類情況。相比之下,使用U2(已經過修改以使之更接近理想狀態)運算放大器進行的模擬,在這個圖形所表示的範圍內未出現這類陷波(在更高的頻率和更大的滾降衰減位置仍然存在一個陷波,但是這個陷波超過了這些影像所能看到的範圍。)

你可能會說「太好了!」。如果對所選的運算放大器進行理想化,則可以得到Eo/E1傳遞函數方程式在數學上所預測的結果。但是(總會存在但是),如果使用像U3那樣實際的運算放大器模型,不僅會再次出現這個陷波,而且對於高於陷波頻率的頻率,其頻率回應曲線還會出現進一步的折返偏差!

與預設模型相比,理想化的運算放大器模型U2對實際運算放大器的精確度要低得多,預設模型在揭示實際性能真相方面做得更好。

以上所有討論的基本注意事項是不要對SPICE中任何虛擬模型的參數和屬性做任何假設。在依賴虛擬模型進行模擬之前,必須先查看這個虛擬模型已分配的屬性,瞭解它與最終設計所用的實際元件有什麼不同。

如此一來,你可能會得到一、兩個驚喜。

(參考原文:Zero offset active lowpass filter, part 5,by John Dunn)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

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