為音頻設(shè)備提供高性能的低通30kHz貝塞爾濾波器
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貝塞爾(Bessel)線性相位濾波器正是由于具有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時(shí)的特性，才被用于音頻設(shè)備中，在音頻設(shè)備中，必須在不損害頻帶內(nèi)多信號(hào)的相位關(guān)系前提下，消除帶外噪聲。另外，貝塞爾濾波器的階躍響應(yīng)很快，并且沒(méi)有過(guò)沖或振鈴，這使它在作為音頻 DAC 輸出端的平滑濾波器，或音頻 ADC 輸入端的抗混疊濾波器方面，是一種出色的選擇。貝塞爾濾波器還可用于分析 D 類放大器的輸出，以及消除其它應(yīng)用中的開關(guān)噪聲，來(lái)提高失真測(cè)量和示波器波形測(cè)量的精確度。
雖然貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供平坦的幅度和線性相位（即一致的群延時(shí)）響應(yīng)，但它的選擇性比同階（或極數(shù)）的巴特沃斯(Butterworth)濾波器或切比雪夫(Chebyshev)濾波器要差。因此，為了達(dá)到特定的阻帶衰減水平，需要設(shè)計(jì)更高階的貝塞爾濾波器，從而它又需要仔細(xì)選擇放大器和元件來(lái)達(dá)到最低的噪聲和失真度。
圖1顯示了一種高性能 8 階 30 kHz 低通貝塞爾濾波器的原理圖。這種設(shè)計(jì)使用了1%公差電阻器和 5% 公差陶瓷電容器標(biāo)準(zhǔn)值。作為替代，可以使用 10% 公差的電容器，代價(jià)是頻通帶內(nèi)的群延時(shí)變化增大了。為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)使用溫度穩(wěn)定的電容器。
在這種應(yīng)用中，濾波器處理一些上、下擺動(dòng)的音頻信號(hào)，并且它的放大器從2.5V 電源獲取電力。滿擺幅輸出能力有助在這些低電源電壓下達(dá)到最大輸出電壓擺幅。為了在高質(zhì)量音頻服務(wù)中達(dá)到很高的信噪比，放大器必須表現(xiàn)出單位增益穩(wěn)定和很低的內(nèi)在噪聲。例如，模擬器件公司的 AD8656 低噪聲高精度 CMOS 雙運(yùn)算放大器符合所有這些要求。
把這些作為反相增益級(jí)的放大器連接起來(lái)，就可以保持恒定的輸入共模電壓，并有助使失真降至最低。在整個(gè)電路中使用低于1 kΩ 的電阻器，可以降低電阻器的熱噪聲影響。每個(gè)AD8656放大器在30 kHz帶寬內(nèi)帶來(lái)的噪聲低于 3 nV/√Hz，并且在30 kHz 帶寬范圍內(nèi)測(cè)得的總噪聲低于3.5mV rms。對(duì)于 1Vrms 輸入信號(hào)，電路產(chǎn)生的信噪比優(yōu)于109 dB，并且對(duì)于1kHz、1Vrms 輸入信號(hào)，電路產(chǎn)生的 THD+N（總諧波失真加噪聲）因子優(yōu)于0.0006%。
圖2顯示了測(cè)得的濾波器對(duì)1Vrms輸入信號(hào)的幅度響應(yīng)。對(duì)于高達(dá)20 kHz的頻率，濾波器的0dB通帶增益在1.2 dB范圍內(nèi)平坦。8階貝塞爾濾波器在30 kHz時(shí)處于-3 dB點(diǎn)，在300 kHz時(shí)呈現(xiàn) -110 dB的理論衰減，在更高頻率時(shí)以 -160 dB/decade的速度下降。這個(gè)特性提供了重復(fù)性噪聲的足夠衰減，這些噪聲是由開關(guān)電源和其它源引起的，一般發(fā)生在300 kHz和更高頻率。
圖3描繪了濾波器的相移和群延時(shí)，該延時(shí)相對(duì)恒定地保持在大約 17ms，即使對(duì)于高達(dá) 40 kHz 的頻率也是如此。請(qǐng)注意圖 3 的頻率軸上的線性比例，它清晰描繪了濾波器在通帶內(nèi)的線性相位行為。以下公式定義了群延時(shí)相移對(duì)于頻率的負(fù)偏導(dǎo)數(shù)：
群延時(shí)= -δφ/δf。
在直流電時(shí)，電阻器R1把濾波器的輸入電阻設(shè)定為383Ω。如果應(yīng)用需要更高的輸入阻抗，則可在濾波器前面插入單位增益緩沖器，代價(jià)是失真和噪聲增大。對(duì)于需要依靠15V電源工作的設(shè)備，可用電壓更高的放大器代替AD8656，比如模擬器件公司的AD8672低失真低噪聲 (3.8nV/√Hz) 雙運(yùn)算放大器。
評(píng)論