设计目标

设计说明

与传统的单极 RC 滤波器相比，该低通滤波器拓扑可显著改善建立时间。这是通过使用二极管 D₁ 和 D₂ 来实现的，当输入和输出电压之间存在足够大的差值时，这些二极管能够使滤波电容器的充电和放电速度更快。

设计说明

1. 观察运算放大器的共模输入限制。
2. 将 C₁ 保持为较小的值可确保运算放大器能够轻松地驱动容性负载。
3. 要获得最快的建立时间，请使用快速开关二极管。
4. 所选的运算放大器应具有足够的输出驱动能力，以便为 C₁ 充电。R₃ 可限制最大充电电流。

设计步骤

1. 根据 f_C = 10kHz，为 R₁ 和 C₁ 选择标准值。
   ${\mathrm{R}}_1=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{C}}_1=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{C}}\times {\mathrm{R}}_1}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\text{kHz}\times 10\text{kΩ}}=\text{1.6nF}$
2. 设置二极管阈值电压 (V_t)。该阈值是输入和输出之间的最小电压差，可导致二极管导通，从而实现电容器快速充电和放电。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{t}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{f}}}{1+{\displaystyle \frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}}}\approx \frac{\text{0.6}\mathrm{V}}{1+{\displaystyle \frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}}}=\text{20}\mathrm{mV}$
   ${\mathrm{R}}_2=\left(\frac{\text{0.6}\mathrm{V}}{\text{20}\mathrm{mV}}-1\right)\times {\mathrm{R}}_1=\text{290}\mathrm{k\Omega } \approx \text{300}\mathrm{k\Omega } \text{(standard 5\% value)}$
3. 选择用于进行噪声预过滤的组件。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}2}=10\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\text{100}\mathrm{kHz}$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}2}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_4\times {\mathrm{C}}_3}$
   $\text{Select} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_1=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{C}}_3=\frac{{\mathrm{C}}_1}{10}=\text{160}\mathrm{pF}$
4. 添加补偿组件，以稳定 U₁。R₃ 可限制 C₁ 的充电电流，并且还用于在二极管导通时将电容与运算放大器输出相隔离。较大阻值可以改善稳定性，但会增加 C₁ 充电时间。
   $\text{Select} {\mathrm{R}}_3=\text{100}\mathrm{\Omega }$
5. C₂ 可提供局部高频反馈，以抵消输入电容与 R₁ 和 R₂ 并联组合之间的相互作用。为了防止与 C₁ 发生相互作用，请按以下所示选择 C₂：
   $\text{Select} {\mathrm{C}}_2=\frac{{\mathrm{C}}_1}{50}=\text{32}\mathrm{pF}\approx \text{33}\mathrm{pF}\text{ (standard value)}$

设计仿真

交流仿真结果

瞬态仿真结果

设计参考资料

德州仪器 (TI)，SBOMAU1 TINA-TI™ 电路仿真，文件下载

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器