一種低成本壓控濾波器的實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文介紹了采用電源電流可連續(xù)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)壓控濾波器的方法和原理。

關(guān)鍵詞： 運(yùn)算放大器；電壓控制濾波器；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

在語音和音樂合成領(lǐng)域，常使用壓控濾波器對(duì)產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)整形。但由于成本高、所需外圍器件多，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，多數(shù)此類器件不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)壓控濾波器功能的另一途徑是采用電源電流可連續(xù)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，如美國國家半導(dǎo)體公司的LPV531型運(yùn)算放大器。該放大器的電源電流可以在1uA~400uA的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。放大器電源電流的調(diào)節(jié)可通過一個(gè)10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101進(jìn)行。在該方案中，放大器的增益帶寬是電源電流的函數(shù)。圖1顯示了LPV531的電源電流對(duì)其增益帶寬和相位裕度的影響。

圖1  LPV531的增益帶寬與電源電流的關(guān)系

LPV531及DAC101S101的特點(diǎn)

LPV531是美國國家半導(dǎo)體的一款可編程、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運(yùn)算放大器。僅借助一只外置電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LPV531的增益帶寬調(diào)節(jié)和功率級(jí)別調(diào)節(jié)。通過改變外置電阻上的偏壓即可使LPV531在待機(jī)和滿功率模式之間進(jìn)行切換。該運(yùn)算放大器工作在最低頻率73KHz時(shí)的功耗僅為5uA，工作在最高頻率4.6MHz時(shí)的功耗僅為425uA。

輸入偏置電壓相對(duì)比較獨(dú)立，不會(huì)受到功率級(jí)別選擇的影響。LPV531采用了CMOS輸入級(jí)，輸入偏置電流僅有50fA，共模輸入電壓范圍可從負(fù)電壓到正電源電壓以下1.2V。同時(shí)，LPV531軌到軌的AB類輸出階使其在低電源電壓時(shí)也可以提供最大的動(dòng)態(tài)范圍。LPV531的典型參數(shù)如下：
*2.7V~5.5V電源電壓；
*5uA~425uA連續(xù)可編程電源電流；
*輸入共模電壓范圍-0.3V~3.8V；
*共模抑制比95dB；
*軌到軌輸出電壓擺幅；
*1mV輸入偏置電壓；
*73KHz~4.6MHz連續(xù)可編程增益帶寬；
*小體積的SOT23-6封裝，適用于手持電子設(shè)備和便攜式應(yīng)用。

在此方案中采用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)放大器的電源電流，DAC101S101是美國國家半導(dǎo)體公司的一款全功能通用10位電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它使用單電源供電，電壓范圍為2.7V~5.5V，在3.6V工作電壓時(shí)的電流僅為175uA。片上的輸出放大器使其輸出軌到軌擺幅。在規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，其三線串行接口的時(shí)鐘頻率可高達(dá)30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標(biāo)準(zhǔn)。DAC101S101的典型參數(shù)如下：
*+0.15/-0.05LSB的DNL；
*輸出穩(wěn)定時(shí)間：8uS；
*零代碼誤差：3.3mV；
*滿幅誤差：-0.06% FS；
*可靠單調(diào)性；
*低功耗和省電模式；
*上電自動(dòng)零電壓輸出；
*同步中斷功能；
*工業(yè)溫度范圍：-40℃~+105℃；
*小型TSOT-6和MSOP-8封裝，適用于電池供電的設(shè)備。

電源電流的控制

LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制(圖4)。電源電流隨ISEL線性變化，比ISEL電流高40倍。內(nèi)部相對(duì)于電源負(fù)極的110mV參考電壓以及一個(gè)11k歐姆的內(nèi)部電阻決定了在ISEL引腳連接到電源負(fù)極時(shí)所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負(fù)極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。用下式可計(jì)算出電源電流的近似值：

圖2中的曲線顯示了REXT和ISEL的關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓控制的濾波器，必須把ISEL電流設(shè)計(jì)成依賴于電壓而不是電阻。

實(shí)現(xiàn)方法及原理

圖3顯示了利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的電路圖。圖中使用了10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101構(gòu)成的電壓源和一個(gè)電阻分壓器來控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓通過由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比設(shè)為可把數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器0~5V輸出變?yōu)榧拥絀SEL引腳0.0~0.11V電壓。這樣運(yùn)算放大器LPV531的-3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來控制。

圖3利用DAC101S101和LPV531組成的電壓控制濾波器

當(dāng)控制電壓幾乎為0V時(shí)，ISEL電流由RSET1和RSET2的并聯(lián)電阻確定。當(dāng)控制電壓大于零時(shí)，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南(Thevenin)等效電壓和阻抗確定。下式可用來計(jì)算放大器的電源電流：

通常假設(shè)RSET1遠(yuǎn)小于RSET2。這種情況下，控制電壓為0V時(shí)，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1確定。此外，ISEL的電流小于10uA，與電壓源電流相比很小。在給定RSET1和最大控制電壓時(shí)，可下式計(jì)算RSET2的電阻值：

圖3顯示了LVP531用作單位增益緩沖器的情況。在這類應(yīng)用中，為了適應(yīng)輸入和輸出的信號(hào)水平，也可以把運(yùn)算放大器接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。

圖4和圖5分別是控制電壓為0.5V和3.0V時(shí)的開環(huán)增益相位圖。

圖4  0.5V時(shí)的開環(huán)增益相位

圖5  3V時(shí)的開環(huán)增益相位

結(jié)語

本文介紹了如何通過控制電壓來控制微功率運(yùn)算放大器的電源電流，以此實(shí)現(xiàn)用電壓控制濾波器電路的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)成本低、所需外圍器件少。