低成本压控滤波器的实现

低成本压控滤波器的实现

在语音和音乐合成领域,常使用压控滤波器对产生的声音信号进行包络整形。但由于成本高、所需外围器件多,设计较复杂,多数此类器件不适合嵌入式系统应用。实现压控滤波器功能的另一途径是采用电源电流可连续调节的运算放大器,如美国国家半导体公司的LPV531型运算放大器。该放大器的电源电流可以在1uA~400uA的范围内连续调节。放大器电源电流的调节可通过一个10位数字模拟转换器DAC101S101进行。在该方案中,放大器的增益带宽是电源电流的函数。图1显示了LPV531的电源电流对其增益带宽和相位裕度的影响。

图1  LPV531的增益带宽与电源电流的关系

LPV531及DAC101S101的特点

LPV531是美国国家半导体的一款可编程、CMOS输入、轨到轨输出的微功率运算放大器。仅借助一只外置电阻即可实现对LPV531的增益带宽调节和功率级别调节。通过改变外置电阻上的偏压即可使LPV531在待机和满功率模式之间进行切换。该运算放大器工作在最低频率73KHz时的功耗仅为5uA,工作在最高频率4.6MHz时的功耗仅为425uA。

输入偏置电压相对比较独立,不会受到功率级别选择的影响。LPV531采用了CMOS输入级,输入偏置电流仅有50fA,共模输入电压范围可从负电压到正电源电压以下1.2V。同时,LPV531轨到轨的AB类输出阶使其在低电源电压时也可以提供最大的动态范围。LPV531的典型参数如下：
*2.7V~5.5V电源电压;
*5uA~425uA连续可编程电源电流;
*输入共模电压范围-0.3V~3.8V;
*共模抑制比95dB;
*轨到轨输出电压摆幅;
*1mV输入偏置电压;
*73KHz~4.6MHz连续可编程增益带宽;
*小体积的SOT23-6封装,适用于手持电子设备和便携式应用。

在此方案中采用数字模拟转换器调节放大器的电源电流,DAC101S101是美国国家半导体公司的一款全功能通用10位电压输出型数字模拟转换器。它使用单电源供电,电压范围为2.7V~5.5V,在3.6V工作电压时的电流仅为175uA。片上的输出放大器使其输出轨到轨摆幅。在规定的电源电压范围内,其三线串行接口的时钟频率可高达30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPI、QSPI、MICROWIRE、以及DSP标准。DAC101S101的典型参数如下：
*+0.15/-0.05LSB的DNL;
*输出稳定时间：8uS;
*零代码误差：3.3mV;
*满幅误差：-0.06% FS;
*可靠单调性;
*低功耗和省电模式;
*上电自动零电压输出;
*同步中断功能;
*工业温度范围：-40℃~+105℃;
*小型TSOT-6和MSOP-8封装,适用于电池供电的设备。

电源电流的控制

LPV531的总电源电流由流出ISEL控制引脚的电流进行动态控制(图4)。电源电流随ISEL线性变化,比ISEL电流高40倍。内部相对于电源负极的110mV参考电压以及一个11k欧姆的内部电阻决定了在ISEL引脚连接到电源负极时所能输出的最大电流。在ISEL引脚和电源负极之间串入额外的阻抗将降低ISEL引脚的输出电流。用下式可计算出电源电流的近似值：

图2中的曲线显示了REXT和ISEL的关系。

为了实现一个电压控制的滤波器,必须把ISEL电流设计成依赖于电压而不是电阻。

实现方法及原理

图3显示了利用DAC101S101和LPV531组成电压控制滤波器的电路图。图中使用了10位数字模拟转换器DAC101S101构成的电压源和一个电阻分压器来控制LPV531的ISEL引脚电流。从DAC101S101输出的电压通过由RSET1和RSET2组成的电阻分压器施加到ISEL引脚。电阻分压器的分压比设为可把数字模拟转换器0~5V输出变为加到ISEL引脚0.0~0.11V电压。这样运算放大器LPV531的-3dB频率就可以由施加到其ISEL引脚上的电压来控制。

图3利用DAC101S101和LPV531组成的电压控制滤波器

当控制电压几乎为0V时,ISEL电流由RSET1和RSET2的并联电阻确定。当控制电压大于零时,ISEL的电流由ISEL引脚的戴维南(Thevenin)等效电压和阻抗确定。下式可用来计算放大器的电源电流：

通常假设RSET1远小于RSET2。这种情况下,控制电压为0V时,ISEL电流的最大值主要由电阻RSET1确定。此外,ISEL的电流小于10uA,与电压源电流相比很小。在给定RSET1和最大控制电压时,可下式计算RSET2的电阻值：

图3显示了LVP531用作单位增益缓冲器的情况。在这类应用中,为了适应输入和输出的信号水平,也可以把运算放大器接成带有一定增益的反相或非反相的放大器模式。

图4和图5分别是控制电压为0.5V和3.0V时的开环增益相位图。

图4  0.5V时的开环增益相位

图5  3V时的开环增益相位

结语

本文介绍了如何通过控制电压来控制微功率运算放大器的电源电流,以此实现用电压控制滤波器电路的设计。这种设计成本低、所需外围器件少。