施工指南
快速建立低通滤波器
由Rod伯特和R.马克·斯蒂特（ 602 ） 746-7445
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通过滤波降低噪声是最常用的
方法改善信号噪声比。在增加
稳定时间，但是，可以是在一个严重的缺点
某些应用，例如高速数据采集系
TEMS 。此处所描述的非线性滤波器是一个简单的方法来
得到一个四对一的改进的稳定时间较
到常规的过滤器。
为了理解电路中，首先考虑的动态
单极RC滤波器（图1） 。过滤功能降低宽带
或由带宽的平方根“白”噪声reduc-
和灰通过下列计算，如下所示：
f
2
f
2
V
IN
1
2
V
OUT
R
1
10k
C
1
*
3
4
*为10kHz时，C
1
= 1592pF 。
f
–3dB
= 1/(2
π
R
1
C
1
)
图1.传统的单极RC滤波器。
e
n2
= e
B2
DF = E
B2
f
f
1
f
1
V
IN
e
n
= e
B
(f
2
– f
1
)
1/2
其中：
e
n
=总噪声（ V有效值）
e
B
=宽带噪声（V / √Hz的）
f
1
, f
2
=感兴趣的频率范围（赫兹）
换句话说，如果该频率范围（六
2
– f
1
）被减少
的100倍，总噪声将通过因子减小
10 。
不幸的是，稳定时间取决于带宽。该
罚款降噪增加稳定时间。为
一单极点滤波器，所需沉降到信号的时间
任何给定的精确度，可以计算如下：
对于V
O
/V
IN
在时间=吨
S
V
O
V
IN
–
V
(
V
= 1 – e
–(t
S
/[R
1
C
1
])
O
R
1
10k
二极管
1N4148
V
OUT
C
1
*
6
7
*为10kHz时，C
1
= 1592pF 。
f
–3dB
= 1/(2
π
R
1
C
1
)
8
9
10
11
12
13
14
15
16
图2二极管钳位非线性滤波器（可提高
0.01％的稳定时间，通过常规的过滤器
2/1为一个20V的步骤） 。
非线性滤波
要了解一个非线性滤波器如何改善解决
时间，考虑简单的二极管钳位非线性滤波器，
在图2中沉降时间显示是因为改善了
滤波器电容C
1
，通过低正向充电更快
偏二极管的阻抗（R
ON
）的初始部分期间
大的输入阶跃变化。时之间的差
输入和输出电压变得小于前
偏二极管压降（约0.6V ） ，二极管关断和C
1
反应有R
1
孤单。在这一点上，该电路的作用类似于
正常的单极RC滤波器。
假设二极管
ON
是可忽略的，在改进
稳定时间取决于输入阶跃电压的比
正向偏置的二极管电压。为-10V的一个步骤
+ 10V （ 20V的步骤） ，其改进是LN（ 0.60 / 20）或3.5
时间常数。换句话说，对于一个20V的步骤，简单的
AB-022
美国印刷1991年1月
–1
IN
)
100 = %
因此
t
S
= -ln （ ％ / 100 ） R
1
C
1
其中：
t
S
=沉降时间（s）
％ = ％的准确率在t
S
R
1
C
1
= RC时间常数（ Ω F）或（多个）
例如，如果一个沉降0.01％是必要的，
LN（ 0.01 / 100） = -9.2
换句话说，它需要9.2
1
C
1
用于将输入的时间常数
步骤沉降到内其最终值的0.01％。
1991年的Burr-Brown公司
V
IN
V
IN
R
4
10k
OPA627
OPA627
R
2
300k
二极管
1N4148
R
1
10k
V
OUT
C
1
*
R
2
300k
二极管
1N4148
R
1
10k
V
OUT
C
1
*
C
3
(C
1
/10)
C
2
(C
1
/50)
R
3
100
*为10kHz时，C
1
= 1592pF 。
f
–3dB
= 1/(2
π
R
1
C
1
)
图3.改进的非线性滤波器（可提高0.01 ％
建立时间为conventinal过滤器的4/1
一个20V的步骤） 。
钳位二极管的非线性滤波器可提高0.01 ％稳定
9.2时间常数的时间
（9.2 ） - （ 3.5 ）= 5.7的时间常数。
用于将输入的阶跃变化之间的差异较小，并且
正向偏置的二极管电压，简单的二极管钳位
非线性滤波器能提供更小的改善。作为工序改变
接近正向偏置二极管电压，简单的
非线性滤波器提供无改善。
改进的非线性滤波器
通过减小阈值低一个二极管压降，该
稳定时间可以为更小的输入来改善。该im-
如图3所示探明非线性滤波器可让您调整
阈值，以一个小的任意的值，通过调整比率
R
1
和R
2
.
要了解如何改进非线性滤波器的工作原理，请注意
运算放大器迫使电压在其反相输入端是
相同的同相输入端。对于小的差异
的输出电压和输入电压，存在差之间
ENCE横跨10kΩ电阻，R下降
1
和过滤器
行为像单极点滤波器的R
1
C
1
时间CON-
不变。由R所形成的分压器
1
和R
2
放大
R两端的电压差
1
作为在R的上方观察
2
由（1
+ R
2
/R
1
） 。作为横跨R上的电压
1
, R
2
分成为
大时，有一个二极管（哪一个取决于信号
极性）开始导通，并且电容器被迅速
通过它充电。发生这种情况时的电压差
大约0.6V /（1 + R的输入和输出之间
2
/R
1
）或
约20mV的使用中显示的值。与二极管的正向
偏置时，滤波器的时间常数变得非常小，
只有运算放大器的压摆率或限流的限制。
确定用于改进非的元件值
线性滤波器，考虑的降噪要求
过滤器。例如，如果您要筛选一个20V的噪音
满量程信号，以0.01 ％的分辨率，峰值噪音必须是
过滤，以20V的小于0.01 ％，即2mV的峰。钳位
2
*为10kHz时，C
1
= 1592pF 。
f
–3dB
= 1/(2
π
R
1
C
1
)
图4.改进了使用R非线性滤波
4
, C
3
预滤波器
和R
3
, C
2
网络技术确保运算放大器的稳定性
在驾驶
1
.
十次这样的峰值（为20mV ）的阈值是任意的，但
充足的门槛。在图3所示的元件值
设置过滤器的门限为20mV 。对于20V的步骤和以前一样，
在建立时间的改善LN （ 0.02 / 20 ）= 6.9时
常数。换句话说，对于一个20V的步骤，改进的
非线性滤波器可提高0.01 ％，由9.2调整时间
时间常数（ 9.2 ） - （ 6.9 ） = 2.3时间常数，一个四
对一的改进。
某些信号需要预过滤
在一些实例中，输入信号可以具有噪声峰值
上面的非线性滤波器的20mV的阈值。如果噪声
的输入信号的非线性滤波器的大于
20mV的阈值时，过滤器会误认为噪声的一步
输入而没有将其过滤出来。为了防止这种情况的一个
输入预过滤器可以被添加到所述非线性滤波器，如图
在网络连接gure 4 。
预滤波器的带宽由R设定
4
和C
3
。为了最大限度地减少
建立时间的预过滤器的作用，它的带宽设置10
倍以上的非线性滤波器的带宽更高。在
这种更高的带宽，建立时间前置过滤器的作用
是可以忽略的，而噪声在预过滤器的输出是
√10
于2mV倍（多一点为6mV峰值） 。噪声
为6mV的水平提供了充裕的为20mV
门槛。
ASSURE运算放大器稳定性
运算放大器往往会变得不稳定，振荡行驶时
大容性负载。了C
2
, R
3
网络中，图中所示
4 ，驾驶的C值大时，保证运算放大器的稳定性
1
迹线的各种过滤器1至3示出沉降的响应。增益
信号为100V / V ，所以范围刻度的各部门代表
为2mV （即每个部门= 0.01 ％） 。
迹线1是一个标准的10kHz的单杆RC滤波器。
迹2是一个二极管钳位10kHz的非线性滤波器。
迹图3是在图4所示的改进的10kHz的非线性滤波器。
迹4是
±10V
输入信号为5V /格。
迹线1示出了用于一个10kHz的单极点滤波器响应
±10mV
输入
步骤。
迹线2示出了用于快速响应
±10V
输入步骤。
大，小信号阶跃图6的比较
响应改进的非线性滤波器。
理论
建立时间
（时间常数）
9.2
5.7
2.3
理论
建立时间
(
s)
(1)
147
91
37
标准和非图5.建立时间响应
线性滤波器。
经由正向偏压二极管的低阻抗
网络。了C
2
, R
3
网络可以不需要如果C
1
is
小。
当选择运算放大器的改进的过滤器，使
确保它具有高输出驱动能力进行充电
1
和
它的转换速率，建立时间和DC精度AD-是
等同于所需的滤波器响应。所示的OPA627
有直流精度的完美结合，高转换
率，快速建立时间，高输出驱动能力。该
该OPA627的16MHz的带宽，提供了优异的成绩为
滤波器的-3dB带宽高达100kHz 。此外，请注意
运算放大器的噪声增加（单位增益）的信号中的噪声。
当一个低噪声运算放大器时，这种噪音会
忽略不计的，在大多数情况下。
该OPA627贡献只有噪声增加6 ％至
在10kΩ电阻在使用的最小理论的噪音
过滤器。请记住，噪音增加了作为平方根
之和的平方。要确定多少4.5nV / √Hz的
该OPA627的噪声增加的的12.8nV / √Hz的噪声
10kΩ电阻，计算出两种组分的噪音和
比较，为单独的电阻器的噪声：
√(4.5)
2
+ (12.8)
2
/12.8 = 1.06 ，增长6 ％
图5是一个三曝光范围照片示出了过滤器
输出错误解决这三个电路与时间响应
-10V至+ 10V的输入步骤（ 20V ） 。每个滤波器的带宽
被设置为10kHz 。沉降反应是在100的增益，以便
每个框表示为2mV ，或20V步骤的0.01％。该
过滤器已落户到0.01 ％时，曲线是在一个盒子
3
滤波器
TYPE
单极RC
二极管钳位
非线性
改进
非线性
注： （ 1 ）稳定到最终值0.01 ％为10kHz的过滤器。
表一，理论的建立时间为各种过滤器。
的基网格。
对于10kHz的过滤器， 1 RC时间常数为15.9μs 。忽略
输入压摆率和二极管的正向电阻（近似不错
mations为10kHz的过滤器时使用OPA627运算
安培） ，理论建立时间示于表I.
请注意，所示的范围与实际测量
照片同意该决议中的理论值
的照片。
图6是一个双重曝光范围照片
改进的非线性滤波器在高和低的信号进行操作
的水平。在低电平（一
±10mV
输入步骤） ，该响应是
一个10kHz的单极RC滤波器的预期。在高
电平（一
±10V
输入步骤） ，大大提高了沉降
反应观察。
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