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在語(yǔ)音和音樂(lè)合成領(lǐng)域，常使用壓控濾波器對(duì)產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)整形。但由于成本高、所需外圍器件多，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，多數(shù)此類(lèi)器件不適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)壓控濾波器功能的另一途徑是采用電源電流可連續(xù)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LPV531型運(yùn)算放大器。該放大器的電源電流可以在1uA～400uA的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。放大器電源電流的調(diào)節(jié)可通過(guò)一個(gè)10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101進(jìn)行。在該方案中，放大器的增益帶寬是電源電流的函數(shù)。圖1顯示了LPV531的電源電流對(duì)其增益帶寬和相位裕度的影響。 圖1 LPV531的增益帶寬與電源電流的關(guān)系 LPV531及DAC101S101的特點(diǎn) LPV531是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的一款可編程、CMOS輸入、軌到軌輸出的微功率運(yùn)算放大器。僅借助一只外置電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LPV531的增益帶寬調(diào)節(jié)和功率級(jí)別調(diào)節(jié)。通過(guò)改變外置電阻上的偏壓即可使LPV531在待機(jī)和滿(mǎn)功率模式之間進(jìn)行切換。該運(yùn)算放大器工作在最低頻率73KHz時(shí)的功耗僅為5uA，工作在最高頻率4.6MHz時(shí)的功耗僅為425uA。 輸入偏置電壓相對(duì)比較獨(dú)立，不會(huì)受到功率級(jí)別選擇的影響。LPV531采用了CMOS輸入級(jí)，輸入偏置電流僅有50fA，共模輸入電壓范圍可從負(fù)電壓到正電源電壓以下1.2V。同時(shí)，LPV531軌到軌的AB類(lèi)輸出階使其在低電源電壓時(shí)也可以提供最大的動(dòng)態(tài)范圍。LPV531的典型參數(shù)如下： * 2.7V～5.5V電源電壓 * 5uA～425uA連續(xù)可編程電源電源電流 * 輸入共模電壓范圍－0.3V～3.8V * 共模抑制比95dB * 軌到軌輸出電壓擺幅 * 1mV輸入偏置電壓 * 73KHz～4.6MHz連續(xù)可編程增益帶寬 * 小體積的SOT23-6封裝，適用于手持電子設(shè)備和便攜式應(yīng)用 * 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體領(lǐng)先的VIP50制造工藝 在此方案中采用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)放大器的電源電流，DAC101S101是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的一款全功能通用10位電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它使用單電源供電，電壓范圍為2.7V～5.5V，在3.6V工作電壓時(shí)的電流僅為175uA。片上的輸出放大器使其輸出軌到軌擺幅。在規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，其三線串行接口的時(shí)鐘頻率可高達(dá)30MHz。DAC101S101串行接口兼容SPITM、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標(biāo)準(zhǔn)。DAC101S101的典型參數(shù)如下： * ＋0.15/－0.05LSB的DNL * 輸出穩(wěn)定時(shí)間：8uS * 零代碼誤差：3.3mV * 滿(mǎn)幅誤差：－0.06% FS * 可靠單調(diào)性 * 低功耗 * 上電自動(dòng)零電壓輸出 * 同步中斷功能 * 省電模式 * 工業(yè)溫度范圍：－40℃～＋105℃ 小型TSOT-6和MSOP-8封裝，適用于電池供電的儀器、數(shù)字增益和偏置調(diào)整、可編程電壓源和電流源以及可編程衰減器等。 電源電流的控制 LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制（圖4）。電源電流比ISEL電流高40倍。內(nèi)部相對(duì)于電源負(fù)極的110mV參考電壓以及一個(gè)11k歐姆的內(nèi)部電阻決定了在ISEL引腳連接到電源負(fù)極時(shí)所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負(fù)極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。用下式可計(jì)算出電源電流的近似值： 圖2中的曲線顯示了REXT和ISEL的關(guān)系，圖3顯示了ISEL電流和放大器電源電流之間的關(guān)系。 圖2 REXT和ISEL的關(guān)系 圖3 ISEL電流和放大器電源電流的關(guān)系 為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓控制的濾波器，必須把ISEL電流設(shè)計(jì)成依賴(lài)于電壓而不是電阻。 實(shí)現(xiàn)方法及原理 圖4 利用DAC101S101和LPV531組成的電壓控制濾波器 圖4顯示了利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的電路圖。圖中使用了10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC101S101構(gòu)成的電壓源和一個(gè)電阻分壓器來(lái)控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓通過(guò)由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比設(shè)為可把數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器0～5V輸出變?yōu)榧拥絀SEL引腳0.0～0.11V電壓。這樣運(yùn)算放大器LPV531的－3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來(lái)控制。 當(dāng)控制電壓幾乎為0V時(shí)，ISEL電流由RSET1和RSET2的并聯(lián)電阻確定。當(dāng)控制電壓大于零時(shí)，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南(Thevenin)等效電壓和阻抗確定。下式可用來(lái)計(jì)算放大器的電源電流： 通常假設(shè)RSET1遠(yuǎn)小于RSET2。這種情況下，控制電壓為0V時(shí)，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1確定。此外，ISEL的電流小于10uA，與電壓源電流相比很小。在給定RSET1和最大控制電壓時(shí)，可下式計(jì)算RSET2的電阻值： 圖4顯示了LVP531用作單位增益緩沖器的情況。在這類(lèi)應(yīng)用中，為了適應(yīng)輸入和輸出的信號(hào)水平，也可以把運(yùn)算放大器接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。 圖5和圖6分別是控制電壓為0.5V和3.0V時(shí)的開(kāi)環(huán)增益相位圖。 圖5 0.5V時(shí)的開(kāi)環(huán)增益相位 圖6 3V時(shí)的開(kāi)環(huán)增益相位 小結(jié) 本文介紹了如何通過(guò)控制電壓來(lái)控制微功率運(yùn)算放大器的電源電流，以此實(shí)現(xiàn)用電壓控制濾波器電路的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)成本低、所需外圍器件少。 |
