ZHCAFR1 应用简报 | 德州仪器 TI.com.cn

简介

本应用手册旨在优化将传统运算放大器的多反馈 (MFB) 滤波器转换为适合与全差分放大器 (FDA) 配合使用的差分滤波器的过程。将 FDA 用作有源滤波器时，大多数在线滤波器设计者和工具根本不会分析全差分放大器。使用全差分放大器来驱动这些 ADC 的输入有多项优势，例如，能通过直流耦合将单端信号转换为差分信号、在一级中增加增益和有源滤波、独立输出共模控制和改善二阶谐波性能等。

如需对各种滤波器类型（巴特沃斯，贝塞耳等）、传递函数、支持公式等进行更完整的分析，请考虑评估本文末尾列出的参考文献。

MFB 运算放大器实现方案

最简单地说，MFB 滤波器可设计用于传统运算放大器，然后只需翻转或镜像到负极端子上并在反馈网络的两侧进行复制。若要生成用于转换的运算放大器 MFB 模型，请使用德州仪器 (TI) 的滤波器设计工具。图 1 通过下面的核心 5 基本组件演示了这一原理。

图 1 运算放大器至差分放大器 MFB 滤波器

注：如果正在开发的设计具有源阻抗或需要端接电阻器，请记住在 FDA 的反相输入端添加一个电阻器，以匹配同相输入的阻抗。有关此主题的更多详细信息，请参阅本文末尾的参考文献。

图 2 驱动 ADC 的差分放大器 MFB 滤波器

两个标有 C2 的电容器可以使用公式 (1) 串联成一个无源元件，如图 6 所示。

方程式 1.

C_{t o t a l} = \frac{1}{C_{2}} + \frac{1}{C_{2}} = \frac{1}{2} C_{2}

仿真实现和结果

表 1 概述了一种常用滤波器应用的示例设计要求，即用于驱动 1MSPS SAR ADC 的抗混叠滤波器。要生成无源值，请使用德州仪器 (TI) 的滤波器设计工具 来生成可转换为 FDA 滤波器的运算放大器滤波器。

表 1 设计要求

参数	目标值
滤波器类型	二阶低通巴特沃斯 (Q = 0.707)
截止频率	500kHz
目标增益	1V/V
FDA	THS4535
ADC 采样率	1MSPS
目标 ADC	ADS8860

图 3 500kHz、增益= 1V/V、低通滤波器原理图

图 4 500kHz、增益 = 1V/V、低通滤波器 OPA365 运算放大器频率响应

图 5 500kHz、增益 = 1V/V、低通滤波器 THS4535 FDA 频率响应

表 2 概述了一个增益为 2V/V 的其他设计示例，以展示仅利用一个有源元件时，单端到差分转换、增益增加和有源滤波情况。

表 2 设计要求

参数	目标值
滤波器类型	二阶低通巴特沃斯 (Q = 0.707)
截止频率	500kHz
目标增益	2V/V
FDA	THS4535
ADC 采样率	1MSPS
目标 ADC	ADS8860

图 6 500kHz、增益= 2V/V、低通滤波器原理图

图 7 500kHz、增益 = 2V/V、低通滤波器 OPA365 运算放大器频率响应

图 8 500kHz、增益 = 2V/V、低通滤波器 THS4535 FDA 频率响应

为了进一步提高系统的滤波器匹配和 CMRR 性能，请考虑使用 TI 的精密匹配电阻器 RES11A。

Sallen-Key 实现

Sallen-Key 滤波器通常不与全差分放大器一起使用。由于依赖于连接到传统运算放大器反相和同相端子的反馈路径，因此在本文件中不考虑这一点。在此配置中，每个端子上的阻抗不匹配 - 如果将其复制到 FDA 上，阻抗不匹配会导致高失真和其他电路异常。因此，通常建议在全差分放大器中使用前述的 MFB 滤波器拓扑。

参考资料

德州仪器 (TI)，德州仪器 (TI) 的滤波器设计工具
德州仪器 (TI)，在全差分有源滤波器中使用无限增益、MFB 滤波器拓扑，模拟应用说明。
德州仪器 (TI)，设计前端以驱动差分 ADC，视频
德州仪器 (TI)，有源低通滤波器设计，应用手册。
德州仪器 (TI)，AN-1393 使用高速差分放大器驱动模数转换器，应用手册。
德州仪器 (TI)，使用全差分放大器，从单端输入至差分输出电路，模拟工程师电路。
德州仪器 (TI)，THS4551 低噪声、高精度 150MHz 全差分放大器，数据表。