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低通 30kHz 贝塞尔滤波器为音频应用提供高性能
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2024年10月22日 18:25 49
admin
贝塞尔线性相位滤波器在音频应用中得到了应用，在这些应用中，需要消除带外噪声而不降低多频的相位关系。带内信号。此外，贝塞尔滤波器的快速阶跃响应以及无过冲或振铃的特性使其成为音频 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 类放大器的输出以及消除其他应用中的开关噪声，从而提高失真和示波器波形测量的准确性。
图 1 两个双运算放大器和一些无源器件实现了高性能八阶 30kHz 低通贝塞尔滤波器。
在此应用中，滤波器处理在地电位以上和以下摆动的音频信号，其放大器从正负 ±2.5V 电源获取功率。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信噪比，放大器必须表现出单位增益稳定性和低固有噪声。例如，Analog Devices 的 AD8656 低噪声、精密 CMOS 双运算放大器满足所有这些要求。
将放大器连接为反相增益级可保持恒定的输入共模电压，并有助于最大限度地减少失真。在整个电路中使用小于 1kΩ 的电阻器可以降低电阻器的热噪声贡献。每个 AD8656 放大器在 30 kHz 带宽上产生的噪声低于 3
nV/ ，并且在 30 kHz 带宽上测量的总噪声低于 3.5 ?V rms。对于 1V-rms 输入信号，该电路产生优于 109 dB 的 SNR，对于 1-kHz、1V-rms 输入信号，该电路产生 THD+N（总谐波失真加噪声） ) 系数优于 0.0006%。
图 3 显示了滤波器的相移及其群延迟，即使频率高达 40 kHz，群延迟也保持相对恒定，约为 17 微秒。请注意图 3 频率轴上的线性刻度，它清楚地说明了滤波器在通带内的线性相位行为。以下等式 将群延迟定义为相移相对于频率的负偏导数：
在直流时，电阻器 R 1 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，您可以在滤波器之前插入单位增益缓冲器，但会增加失真和噪声。对于需要 ±15V 电源供电的应用，请使用更高电压的放大器替换 AD8656，例如 Analog Devices 的 AD8672 低失真、低噪声 (3.8nV/ ) 双运算放大器。
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（即均匀的群延迟）响应，但它的选择性比相同阶数或极数的巴特沃斯或切比雪夫滤波器差。因此，为了实现给定水平的阻带衰减，您需要设计一个更高阶的贝塞尔滤波器，而这又需要仔细选择放大器和组件，以实现最低水平的噪声和失真。
图 1 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 1% 容差电阻器和 5% 容差陶瓷电容器的标准值。作为替代方案，您可以使用 10% 容差的电容器，但会增加通带内的群延迟方差。为了获得最佳结果，请使用温度稳定的电容器。
图 1 两个双运算放大器和一些无源器件实现了高性能八阶 30kHz 低通贝塞尔滤波器。在此应用中，滤波器处理在地电位以上和以下摆动的音频信号，其放大器从正负 ±2.5V 电源获取功率。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信噪比，放大器必须表现出单位增益稳定性和低固有噪声。例如，Analog Devices 的 AD8656 低噪声、精密 CMOS 双运算放大器满足所有这些要求。
将放大器连接为反相增益级可保持恒定的输入共模电压，并有助于最大限度地减少失真。在整个电路中使用小于 1kΩ 的电阻器可以降低电阻器的热噪声贡献。每个 AD8656 放大器在 30 kHz 带宽上产生的噪声低于 3
nV/ ，并且在 30 kHz 带宽上测量的总噪声低于 3.5 ?V rms。对于 1V-rms 输入信号，该电路产生优于 109 dB 的 SNR，对于 1-kHz、1V-rms 输入信号，该电路产生 THD+N（总谐波失真加噪声） ) 系数优于 0.0006%。
图 2 显示了 1V-rms 输入信号的滤波器测量幅度响应。对于高达 20 kHz 的频率，滤波器的 0 dB 通带增益平坦在 1.2 dB 以内。八阶贝塞尔在 30 kHz 处具有 –3 dB 点，在 300 kHz 处理论衰减为 –110 dB，在较高频率处以 –160 dB/十倍频程衰减。此特性可充分衰减开关模式电源和其他源引起的重复噪声，这种噪声通常发生在 300 kHz 及更高的频率下。
图 3 显示了滤波器的相移及其群延迟，即使频率高达 40 kHz，群延迟也保持相对恒定，约为 17 微秒。请注意图 3 频率轴上的线性刻度，它清楚地说明了滤波器在通带内的线性相位行为。以下等式 将群延迟定义为相移相对于频率的负偏导数：
群时延= –δφ/δf。
在直流时，电阻器 R 1 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，您可以在滤波器之前插入单位增益缓冲器，但会增加失真和噪声。对于需要 ±15V 电源供电的应用，请使用更高电压的放大器替换 AD8656，例如 Analog Devices 的 AD8672 低失真、低噪声 (3.8nV/ ) 双运算放大器。
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