当运算放大器遇上滤波器:好兄弟一辈子

上一篇介绍了运算放大器的概念以及加减法运算,可以回顾《​电子技术的里程碑,带你走进运算放大器的奇妙世界》。从这篇开始,运放就不再孤单了,今天要出场的是它的亲兄弟:滤波器。

增加了滤波器的同相配置

上图的运放在简单的同相接法的基础上增加了Cf滤波器,我们都知道电容器具有“通交流”的特性,但是交流信号的频率有高有低,多大的频率才能“通过”电容器呢?

电容器实际模型

这就要从电容器的基础模型讲起,其中有一个常用的参数:等效串联电阻(ESR),它随着信号频率的增大而变小。当信号频率接近电容器的“截止”频率(-3dB滚降点)时,电容器的ESR开始快速变小。

电容器截止频率的计算方法:

fc=1/(2π✖Rf✖Cf);

假设信号频率远远低于电容器的谐振频率(f<<fc),可以把电容器的ESR近似看成无穷大。

运放的增益(G)计算公式为:

G=Rf/R1+1;

假设信号频率达到甚至超过了电容器的截止频率(f>>fc),在电路中可以把Cf看成是一个与Rf并联的电阻(ESR),随着ESR的逐渐减小,Rf/R1的比值也在变小,导致运放的增益下降。

而随着ESR的不断减小,从上图可以看到在10KHz~100KHz的频率范围内,运放增益迅速下降;当ESR接近0时,该运放电路变成电压跟随器,此时增益为0(1:1信号放大)。

随着信号频率继续增加,最后达到了运放的带宽限制,此时的增益就非常小了。

增加了滤波器的反向配置

了解清楚同相配置以后,我们接着来看反向配置。根据运放输入端电压相等(动态平衡)原则,当信号频率低于电容器的截止频率(f<fc)时,可以暂时忽略Cf的存在。

此时运放的增益(G)计算方法为:

G=-Rf/R1;

电容器截止频率的计算方法与同相的计算方法一致,截止频率与电容器本身特性和Rf有关:

fc=1/(2π✖Rf✖Cf);

与同相配置的频率响应稍微有些区别,当输入信号的频率到达电容器的截止频点时,运放增益同样会迅速下降。对比同相的频响曲线,当信号频率在1MHz左右时,并未出现0增益的平台。

因为反相配置的电路结构不同,当ESR(电容Cf的等效串联电阻)与Rf的并联电阻接近0时,由于运放正向接地,因此输出基本为0,运放的增益很低。

最后,我们可以根据这两种运放电路的特点,适当调整Cf滤波器的截止频率,即可在可控的范围内让有用的信号放大,把一部分干扰信号的增益尽可能的降低,这就是运放初步的降噪技术。

因此在实际电路应用中,运算放大器与滤波器,无论少了谁都不完整。

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