0.1-10hz滤波电路图

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1、 这个这个 TI TI 参考设计末尾的一个重要声明解决了授权使用、知识产权问题和其他重要的免责声明和信息。参考设计末尾的一个重要声明解决了授权使用、知识产权问题和其他重要的免责声明和信息。 TINA-TI 是德州仪器 (TI) 的商标 WEBENCH 是德州仪器 (TI) 的注册商标 ZHCU078-June 2013 0.1Hz to 10Hz Noise Filter 1 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 Arthur Kay TI TI 高精度设计：高精度设计： 经验证的设计经验证的设计 0.1Hz 0.1Hz 至至 10Hz 10Hz 噪声滤波器噪声滤波器 TI TI 高精度设

2、计高精度设计 电路描述电路描述TI 高精度设计是由 TI 模拟产品专家创建的模拟解决 方案。 经验证的设计提供理论分析、器件选型、仿真、 完整的印刷电路板 (PCB) 电路原理图 & 布局布线、物 料清单和可使用电路经测试过的性能。 还讨论了满足 可替代设计目标的电路修改。 这个电路被设计为将低频噪声（0.1Hz 至 10Hz）放大 至可由示波器轻松测量的电平幅度。 它采用一个 0.1Hz 二阶的高通滤波器和一个 10Hz 四阶的低通滤波 器来实现这个功能。 0.1Hz 至 10Hz 噪声测量是放大 器数据手册中常见的关键参数。 这个设计用于简化 0.1Hz 至 10Hz 噪声测量，常用于不同

3、封装类型的运算 放大器。 设计资源设计资源 设计存档全部设计文件 TINA-TISPICE 仿真器 OPA827 产品文件夹 请询问模拟产品专家 WEBENCH 设计中心 TI 高精度设计库 VOUT +15V10Hz 2nd Order LPF G = 1-15V+15V10Hz 2nd Order LPF G = 10-15V+15V0.1Hz 2nd Order HPF G = 10-15V+15VDUT G=1000-15V*DUT Input N 2 0.1Hz to 10Hz Noise Filter ZHCU078-June 2013 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 1

4、 1 设计总结设计总结 此设计要求如下： 电源电压： +/-15V 直流，或 +/-2.5V 直流 输入：噪声 (nV) 由放大器确定准确的幅度 输出：噪声 (mV) 大到能在示波器上读出来 总增益： 100dB，100,000V/V 滤波器增益： 40dB，100V/V Table 1 中总结了设计目标和性能。 Figure 1 图示了此设计电路测试到滤波器的响应。 表表 1 1： 滤波器经测量和模拟得到的性能滤波器经测量和模拟得到的性能 理想值理想值 标称值标称值 仿真值仿真值 经蒙特卡洛仿真得经蒙特卡洛仿真得 到的下限值到的下限值 经蒙特卡洛仿真得经蒙特卡洛仿真得 到的上限值到的上限值

5、测试的测试的 0.1Hz 0.1Hz 处的增益幅度处的增益幅度 (V/V)(V/V) 70.07 70.98 59.56 77.05 67.9 10Hz10Hz 处的增益幅度处的增益幅度 (V/V)(V/V) 70.07 70.06 61.56 76.57 67.5 1Hz 1Hz 处的增益幅度处的增益幅度 (V/V)(V/V) 100 99.68 96 100.68 98.75 图图 1 1： 测试得到的滤波器响应测试得到的滤波器响应 ZHCU078-June 2013 0.1Hz to 10Hz Noise Filter 3 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 2 2 工作原理工作

6、原理 这个电路的目的是将低频噪声放大至可被典型示波器测量到的电平幅度 这个测量值是放大器数据手册中的 常见关键参数。 这些测量中采用的标准带宽为 0.1Hz 至 10Hz。 很多高精度放大器大概有参考于输入噪 声为 100nVpp 数量级的总噪声。 这个电路的增益将设计为使得输出到示波器输入端的信号在 10mVpp 或更 大的值。 请注意，当直接用 BNC 接头连接时，很多示波器分辨率可达到 1mV/格的显示精度。 此测试器 件 (DUT) 处于高增益工作状态，此时它是主要的噪声源，而级联滤波器电路内的噪声不是很明显。 这个 级联滤波器的目的是为了具有低噪声、精确的滤波器截止频率和精确的增益。

7、 低频噪声规格总是以 DUT 等效的输入噪声为参考。 在 Figure 2 中显示的示例中，示波器测得的噪声为 10mVpp。 通过用输出噪声除以总增益计算得到 RTI 噪声。 在这个示例中，总增益为 100,000 (10 x 1,000)，所以用输出噪声除以总增益得到 RTI 噪声 (Vn-RTI = 10mV / 100,000 = 100nVpp)。 VOUT +15V0.1Hz to10Hz BPF G = 100-15V+15VDUT G=1000-15V*DUT Input NoiseScope Noise RTI 100nVpp 0.1 to 10Hz100Vpp 0.1 to

8、 10Hz10mVpp 0.1 to 10Hz图图 2 2： 简化的方框图简化的方框图 4 0.1Hz to 10Hz Noise Filter ZHCU078-June 2013 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 2.12.1 详细的原理图详细的原理图 Figure 3 中显示这个设计电路更完整的原理图。 第一级是在测试器件 (DUT)。 在这个器件上配有插槽以 实现不同封装器件的轻松测试。 跟随 DUT 的三个级联电路组成一个 0.1Hz（二阶）至 10Hz（四阶）带通 滤波器。 目的是将 OPA827 上的低频电压噪声放大至可由示波器容易读出的电平幅度。 0.1Hz 至 10H

9、z 的带宽选择是一个业界标准。 V-V-V-V+V+V+V+R7 2MR13 634kR16 1kR17 9.09kC11 1uC12 1uR3 1.6MR9 162kR10 210kC15 100nC5 7.5nVoutR6 825kR11 825kR12 412kC17 100nC6 7.5nR8 2MR1 100R2 100k-+U2 OPA827-+U3 OPA827-+U4 OPA827-+U1 OPA827V-DUT GAIN = 1000 0.1Hz LPF 2nd order G = 1010Hz HPF 2nd order G = 1010Hz HPF 2nd order G

10、 = 1图图 3 3 完整的电路原理图完整的电路原理图 ZHCU078-June 2013 0.1Hz to 10Hz Noise Filter 5 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 2.22.2 第一级第一级 DUTDUT 这个电路的用途是测量运算放大器的低频噪声。 第一级是我们希望测试的运算放大器，被称为测试器件 (DUT)。 如 Figure 4 中所示，DUT 是一个高增益 (1000x)电路以确保其噪声是整个电路的主要噪声源， 跟随的后级运放电路噪声可忽略。 设置增益的并联电阻组合被选择为最大限度地减少电阻热噪声 (Req = 100k | 100 = 99.9)。 Fig

11、ure 5 显示电阻和热噪声之间的关系。 在这个电路中，由等效电阻 Req = 99.9 产生的噪声大约为 1.1nV。 V-V+VoutR1 100R2 100k-+U1 OPA827DUT GAIN = 1000图图 4 4： 第一级第一级 在测试器件放大噪声的增益为在测试器件放大噪声的增益为 10001000 Noise Spectral Density vs. ResistanceResistance (Ohms)Noise Spectral Density (nV/rtHz)en density= (4kTKR)图图 5 5： 噪声频谱密度与输入电阻之间的关系噪声频谱密度与输入电阻之

12、间的关系 6 0.1Hz to 10Hz Noise Filter ZHCU078-June 2013 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 第一级使用双列直插 (DIP) 插槽能方便更换所要的在测试器件 DUT 型号。 第一级有四个不同的插槽，这 些插槽可适用于各种常见封装（如：SOT，SO8，SC70 和 双路 SO8）的 DIP 适配器卡。 Dip 插槽下方的 PCB 丝印，显示了针对每个插槽的引脚配置。 Figure 6 显示插槽 U2 上安装了一个 DIP 适配器的 PCB。 跳线 JMP2 被用来选择 U2 的输出。 Figure 7 显示 DIP 适配器卡。 DIP 适配器

13、卡的 gerber 文件包含 在 TI-Design 文件夹内。 此外，所有常见的 DIP 适配器卡都包含在 DIP-ADAPTOR-EVM 里。 DIP Sockets allow the installation of different types of amplifiers. The devices are soldered to DIP adaptor cards. Jumpers allow the selection of the different sockets.图图 6 6： 第一级使用配插槽第一级使用配插槽 DIP DIP 适配器卡和跳线选择。适配器卡和跳线选择。 图图

14、7 7： DIP DIP 适配器板适配器板 ZHCU078-June 2013 0.1Hz to 10Hz Noise Filter 7 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 Figure 8 显示是如何通过跳线在第一级中选择不同器件封装槽位的。 跳线一次只能被连接至一个输出， 以防止将两个运算放大器输出连接在一起。 V-V+To Second stage100100k-+SOT-to-DIP63182V-V+100100k-+SO8-to-DIP23674V-V+100100k-+SC70-to-DIP31682Jumper selects SOT图图 8 8： 第一级使用跳线来选择不

15、同封装类型。第一级使用跳线来选择不同封装类型。 8 0.1Hz to 10Hz Noise Filter ZHCU078-June 2013 版权 2013，德州仪器 (TI) 公司 2.32.3 2 2NDND 级级 0.1Hz HPF0.1Hz HPF 第二级是一个增益为 10 的高通滤波器 (Figure 9)。 德州仪器 (TI) 公司的软件工具 Filter-pro 可用 来设计此类型滤波器。 可选择一个二阶的 Butterworth，Sallen-Key，高通滤波器等滤波器 选用最大 平坦幅度的 Butterworth 频率响应 Sallen-Key 拓扑结构被使用，这是因为它产生更多合理的器件值；也 就是说，电容和电阻在可用的范围内，以选用低成本高精度器件。 图图 9 9： 第二级第二级 0.1Hz0.1Hz，2 2 阶高通滤波器，增益阶高通滤波器，增益 = 10= 10 V+R7 2MR13 634kR16 1kR17 9.09kC11 1uC12 1u VoutR8 2M-+U4 OPA827V-0.1Hz HPF 2nd order G = 10VinTo 3rd ZH