高精度低噪声滤波电路设计

TI 高精度设计是由TI 模拟产品专家创建的模拟解决方案。经验证的设计提供理论分析、器件选型、完整的印刷电路板(PCB)、可使用电路经测试过的性能。还讨论了满足可替代设计目标的电路修改。这个电路被设计为将低频噪声(0.1Hz 至10Hz)放大至可由示波器轻松测量的电平幅度。它采用一个0.1Hz二阶的高通滤波器和一个10Hz四阶的低通滤波器来实现这个功能。0.1Hz至10Hz 噪声测量是放大器数据手册中常见的关键参数。这个设计用于简化0.1Hz 至10Hz 噪声测量，常用于不同封装类型的运算放大器。

设计总结此设计要求如下：电源电压：+/-15V 直流，或+/-2.5V 直流。输入：噪声(nV)，由放大器确定准确的幅度输出：噪声(mV)，大到能在示波器上读出来。总增益：100dB，100，000V/V，滤波器增益：40dB,100V/VTable 1中总结了设计目标和性能。图示了此设计电路测试到滤波器的响应。

工作原理：这个电路的目的是将低频噪声放大至可被典型示波器测量到的电平幅度这个测量值是放大器数据手册中的常见关键参数。这些测量中采用的标准带宽为0.1Hz 至10Hz.很多高精度放大器大概有参考于输入噪声为100nVpp数量级的总噪声。这个电路的增益将设计为使得输出到示波器输入端的信号在10mVpp 或更大的值。请注意，当直接用BNC接头连接时，很多示波器分辨率可达到1mV/格的显示精度。此测试器件(DUT) 处于高增益工作状态，此时它是主要的噪声源，而级联滤波器电路内的噪声不是很明显。这个级联滤波器的目的是为了具有低噪声、精确的滤波器截止频率和精确的增益。低频噪声规格总是以DUT等效的输入噪声为参考。示波器测得的噪声为10mVpp。通过用输出噪声除以总增益计算得到RTI噪声。在这个示例中，总增益为100,000 (10 x 1,000)，所以用输出噪声除以总增益得到RTI噪声(Vn-RTI = 10mV / 100,000 = 100nVpp)。

中显示这个设计电路更完整的原理图。第一级是在测试器件(DUT)。在这个器件上配有插槽以实现不同封装器件的轻松测试。跟随DUT 的三个级联电路组成一个0.1Hz(二阶)至10Hz(四阶)带通滤波器。目的是将OPA827 上的低频电压噪声放大至可由示波器容易读出的电平幅度。0.1Hz 至10Hz 的带宽选择是一个业界标准。

第一级-DUT这个电路的用途是测量运算放大器的低频噪声。第一级是我们希望测试的运算放大器，被称为测试器件(DUT)。如所示，DUT 是一个高增益(1000x)电路以确保其噪声是整个电路的主要噪声源，跟随的后级运放电路噪声可忽略。设置增益的并联电阻组合被选择为最大限度地减少电阻热噪声(Req = 100kΩ || 100Ω = 99.9Ω)。显示电阻和热噪声之间的关系。在这个电路中，由等效电阻Req = 99.9Ω产生的噪声大约为1.1nV。

第二级是一个增益为10 的高通滤波器。德州仪器(TI) 公司的软件工具Filter-proTM 可用来设计此类型滤波器。可选择一个二阶的Butterworth，Sallen-Key，高通滤波器等滤波器选用最大平坦幅度的Butterworth 频率响应Sallen-Key 拓扑结构被使用，这是因为它产生更多合理的器件值;也就是说，电容和电阻在可用的范围内，以选用低成本高精度器件。

第三级是增益为10 的10Hz 低通滤波器。此滤波器为一个二阶Butterworth 多反馈高通滤波器。Butterworth 频率响应被选为最大平坦幅度。多反馈拓扑结构被使用，这是因为它产生更多合理的器件值;也就是说，电容和电阻在可用的范围内，以选用低成本高精度器件。

第四级是一个增益为1 的10Hz 低通滤波器。它与第三级相似，但是增益为1.第三级和第四级的目标是创建一个4th阶低通滤波器。此滤波器被设计为一个二阶，Butterworth,多反馈，高通滤波器。Butterworth 频率响应被设计为最大平坦幅度。多反馈拓扑结构被使用，这是因为它产生更多合理的器件值;比如说，电容和电阻可选用有效的参数值，以实现低成本高精度器件选型。