幾乎所有電子電路中都有模擬濾波器。音響系統用它來進行前置放大和信號均衡。通訊系統利用濾波器對特定頻率進行調頻并排除其它頻率。但在模擬信號被數字化后，常用低通濾波器來避免來自頻帶以外的噪聲和干擾產生的混疊誤差。

模擬濾波電路可濾除疊加在模擬信號上的高頻噪聲，使其無法進入模數轉換器。特別是低電平噪聲和外部噪聲尖峰也在濾除之列。任何進入模數轉換器的信號均被轉換為數字值。如果信號頻率超過轉換器采樣頻率的一半，信號幅值能夠得到可靠轉換，但頻率在混疊到數字輸出時被改變。信號被轉換成數字值后，可以使用數字濾波器降低噪聲，但記住一句經驗之談：“進來的是廢物，出去時只會是廢物”。

當您翻開一本運算放大器(運放)的數據手冊看到大量參數說明時，為有源低通濾波器電路選擇合適的運放顯得讓人無從入手。比如，在Microchip的5MHz單電源運放MCP6281/2/3/4的數據手冊中所列出的直流/交流電氣參數有24個。而實際情況是，當您為有源低通濾波電路選擇運放時，最初只需考慮兩個重要參數。根據這兩個參數選擇好了放大器之后，再考慮另外兩個參數，然后就可以做出最終決定了。圖1和圖2為二階有源低通濾波器的最常見拓撲結構。

圖1中，非反相Sallen-Key濾波器設計為輸入信號不反相。通過R3和R4可以選擇增益值。如果您想得到+1V/V的直流增益，則應將R3拆除并將R4短接。圖2顯示了一個二階多反饋電路配置。這種電路拓撲結構下，輸入信號在參考電壓VREF處被反相了。如果需要更高階的濾波器，可將這兩種拓撲關系串接起來。

在設計這兩種拓撲電路的任一種時，最初需要考慮的兩個關鍵參數是增益帶寬積(Gain Bandwidth Product，GBWP)和轉換率(Slew Rate)。選擇運放前，應先確定濾波器的截止頻率(fc)，即濾波器開始衰減信號的頻率。您有時會在文獻中看到截止頻率被稱為通帶頻率。截止頻率確定后，即可利用濾波器設計軟件FilterLab(可從www.microchip.com下載)確定電容和電阻值。

截止頻率確定后，選擇具備正確帶寬的放大器就很容易了。放大器的閉環帶寬必須比濾波器的截止頻率至少高100倍。如果采用的是Sallen-Key型電路配置，且濾波器增益為+1V/V，那么，放大器的增益帶寬積(GBWP)應大于等于100fc。如果閉環增益大于+1V/V， 則GBWP應大于等于100GCLNfc，其中GCLN等于濾波器的非反相閉環增益。如果采用的是多反饋電路配置，放大器的GBWP應大于等于100*(-GCLI+1)fc，其中GCLI等于閉環系統的反相增益。表1列出了Microchip運放的增益帶寬積。

除了要考慮放大器的帶寬外，還應估算轉換率，以確保濾波器不產生信號失真。放大器的轉換率取決于內部電流和電容。當大信號通過放大器時，電流會對電容充電。充電速度取決于放大器的內部電阻、電容和電流值。為了不使有源濾波器進入失真狀態，應正確選擇放大器以使轉換率≥(2πVOUT P-Pfc)，其中VOUT P-P是濾波器在頻率低于fc時所期望的輸出電壓的峰-峰值。

二階濾波電路受到另兩個參數的影響，Sallen-Key電路的輸入共模電壓范圍(VCMR)和輸入偏置電流(IB)。在Sallen-Key電路配置中，VCMR將限制輸入信號的范圍。如果不是電源應用，則可不將電源電流作為關鍵參數進行考慮。

另一個需要考慮的的二階濾波器參數是輸入偏置電流。該參數描述了流入流出放大器輸入引腳的電流總量。如果采用的是Sallen-Key電路配置(如圖1所示)，放大器的輸入偏置電流將流過R2。

由這種錯誤產生的壓降將以輸入失調電壓和輸入噪聲源的形式出現。但更加關鍵的是，幾納安到幾毫安范圍內的高輸入偏置電流會促使您降低電路中的電阻。電阻降低后，為了達到濾波器的截止頻率要求，必須提高電容值。但從成本、精度和體積等因素考慮，選擇大容量電容不見得是好的方案。另外，還應注意電流將隨著溫度的升高而增加。從表1可見，大多數器件的輸入偏置電流參數均在皮安級，因此，允許使用高阻值電阻。

按照上述簡單步驟，您將發現成功地設計低通濾波器并沒有想象中的困難，而且很快就能設計出可正常工作的電路了。

推薦參考資料：
AN699“Anti-Aliasing, analog Filters for Data Acquisition Systems”, Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.
模擬濾波器軟件工具FilterLab可在 www.microchip.com下載。

作者介紹
Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.混合信號/模擬應用部經理