低通、30kHz贝塞尔滤波器为音频应用提供高性能

接线图 2024年03月08日 11:07 240 admin

由于其对低于其截止频率的所有频率施加等量的延迟的特性，贝塞尔线性相位滤波器适用于音频应用，在这些应用中，需要在不降低多频带内信号相位关系的情况下消除带外噪声。此外，贝塞尔滤波器的快速阶跃响应和无过冲或振铃，使其成为音频DAC输出的平滑滤波器或音频ADC输入的抗混叠滤波器的绝佳选择。贝塞尔滤波器还可用于分析D类放大器的输出，并消除其他应用中的开关噪声，以提高失真和示波器波形测量的准确性。

尽管贝塞尔滤波器在其通带内提供平坦的幅度和线性相位（即均匀群延迟）响应，但它的选择性比相同阶数或极点数的巴特沃斯或切比雪夫滤波器差。因此，为了达到给定的阻带衰减水平，您需要设计一个更高阶的贝塞尔滤波器，这反过来又需要仔细选择放大器和元件，以实现最低水平的噪声和失真。

图1 图中显示了高性能、八阶、30kHz、低通贝塞尔滤波器的原理图。此设计使用标准值用于 1% 容差电阻和 5% 容差陶瓷电容器。作为替代方案，您可以使用容差为10%的电容，但代价是通带内的群延迟方差增加。为获得最佳效果，请使用温度稳定的电容器。

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图1 两个双通道运算放大器和少量无源器件可实现一个高性能、八阶、30kHz低通贝塞尔滤波器。

在此应用中，滤波器处理在地上和地以下摆动的音频信号，其放大器从正负±2.5V电源获取电源。轨到轨输出能力有助于在这些低电源电压下实现最大输出电压摆幅。为了在高质量音频服务中实现高SNR，放大器必须表现出单位增益稳定性和低固有噪声。例如，ADI公司的低噪声、精密CMOS双通道运算放大器AD8656可满足所有这些要求。

将放大器连接为反相增益级可保持恒定的输入共模电压，并有助于将失真降至最低。在整个电路中使用小于1 kΩ的电阻可降低电阻的热噪声贡献。每个AD8656放大器的贡献小于3
内华达州/ 低通、30kHz贝塞尔滤波器为音频应用提供高性能第2张 30 kHz带宽上的噪声，以及30 kHz带宽上的总噪声测量值小于3.5 μV rms。对于1V rms输入信号，电路产生的SNR优于109 dB，对于1 kHz、1V rms输入信号，电路产生的THD+N（总谐波失真加噪声）因子优于0.0006%。

图2 显示了滤波器对1V-rms输入信号的测量幅度响应。对于高达20 kHz的频率，滤波器的通带增益为0 dB，在1.2 dB以内持平。八阶贝塞尔在 30 kHz 时的 –3 dB 点在 300 kHz 时呈现 –110 dB 的理论衰减，在较高频率下在 –160 dB/十倍频程时减小。该特性可充分衰减开关模式电源和其他电源引起的重复噪声，这些噪声通常发生在300 kHz或更高的频率下。

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图2 图1中电路的测量幅度与频率响应显示了右纵轴上的刻度变化。

图3 说明了滤波器的相移及其群延迟，即使在高达40 kHz的频率下，其频率也保持在大约17 μsec的相对恒定。注意线性刻度图3 的频率轴，清楚地说明了滤波器在通带内的线性相位行为。以下方程群延迟定义为相移相对于频率的负偏导数：

群延迟= –δφ/δf。

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图3 在直流至30 kHz的通带内测量，贝塞尔滤波器的相移和群延迟特性显示出出色的均匀性和线性度。

直流时，电阻 R1 将滤波器的输入电阻设置为383Ω。如果您的应用需要更高的输入阻抗，则可以在滤波器之前插入一个单位增益缓冲器，但代价是会增加失真和噪声。对于需要采用±15V电源供电的应用，请将AD8656替换为更高电压的放大器，例如ADI公司的低失真、低噪声（3.8 nV/ 低通、30kHz贝塞尔滤波器为音频应用提供高性能第2张），双运算放大器。