為音頻設(shè)備提供高性能的低通30kHz貝塞爾濾波器

　　貝塞爾(Bessel)線性相位濾波器 style="COLOR: blue; TEXT-DECORATION: underline" >濾波器正是由于具有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時(shí)的特性，才被用于音頻設(shè)備中，在音頻設(shè)備中，必須在不損害頻帶內(nèi)多信號(hào)的相位關(guān)系前提下，消除帶外噪聲。另外，貝塞爾濾波器的階躍響應(yīng)很快，并且沒有過沖或振鈴，這使它在作為音頻 DAC 輸出端的平滑濾波器，或音頻 ADC 輸入端的抗混疊濾波器方面，是一種出色的選擇。貝塞爾濾波器還可用于分析 D 類放大器的輸出，以及消除其它應(yīng)用中的開關(guān)噪聲，來提高失真測(cè)量和示波器波形測(cè)量的精確度。

　　雖然貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供平坦的幅度和線性相位（即一致的群延時(shí)）響應(yīng)，但它的選擇性比同階（或極數(shù)）的巴特沃斯(Butterworth)濾波器或切比雪夫(Chebyshev)濾波器要差。因此，為了達(dá)到特定的阻帶衰減水平，需要設(shè)計(jì)更高階的貝塞爾濾波器，從而它又需要仔細(xì)選擇放大器和元件來達(dá)到最低的噪聲和失真度。

　　圖1顯示了一種高性能 8 階 30 kHz 低通貝塞爾濾波器的原理圖。這種設(shè)計(jì)使用了1%公差電阻器和 5% 公差陶瓷電容器標(biāo)準(zhǔn)值。作為替代，可以使用 10% 公差的電容器，代價(jià)是頻通帶內(nèi)的群延時(shí)變化增大了。為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)使用溫度穩(wěn)定的電容器。

　　

　　在這種應(yīng)用中，濾波器處理一些上、下擺動(dòng)的音頻信號(hào)，并且它的放大器從±2.5V 電源獲取電力。滿擺幅輸出能力有助在這些低電源電壓下達(dá)到最大輸出電壓擺幅。為了在高質(zhì)量音頻服務(wù)中達(dá)到很高的信噪比，放大器必須表現(xiàn)出單位增益穩(wěn)定和很低的內(nèi)在噪聲。例如，模擬器件公司的 AD8656 低噪聲高精度 CMOS 雙運(yùn)算放大器符合所有這些要求。

　　把這些作為反相增益級(jí)的放大器連接起來，就可以保持恒定的輸入共模電壓，并有助使失真降至最低。在整個(gè)電路中使用低于1 kΩ 的電阻器，可以降低電阻器的熱噪聲影響。每個(gè)AD8656放大器在30 kHz帶寬內(nèi)帶來的噪聲低于 3 nV/√Hz，并且在30 kHz 帶寬范圍內(nèi)測(cè)得的總噪聲低于3.5mV rms。對(duì)于 1Vrms 輸入信號(hào)，電路產(chǎn)生的信噪比優(yōu)于109 dB，并且對(duì)于1kHz、1Vrms 輸入信號(hào)，電路產(chǎn)生的 THD+N（總諧波失真加噪聲）因子優(yōu)于0.0006%。

　　圖2顯示了測(cè)得的濾波器對(duì)1Vrms輸入信號(hào)的幅度響應(yīng)。對(duì)于高達(dá)20 kHz的頻率，濾波器的0dB通帶增益在1.2 dB范圍內(nèi)平坦。8階貝塞爾濾波器在30 kHz時(shí)處于-3 dB點(diǎn)，在300 kHz時(shí)呈現(xiàn) -110 dB的理論衰減，在更高頻率時(shí)以 -160 dB/decade的速度下降。這個(gè)特性提供了重復(fù)性噪聲的足夠衰減，這些噪聲是由開關(guān)電源和其它源引起的，一般發(fā)生在300 kHz和更高頻率。

　　

　　圖3描繪了濾波器的相移和群延時(shí)，該延時(shí)相對(duì)恒定地保持在大約 17ms，即使對(duì)于高達(dá) 40 kHz 的頻率也是如此。請(qǐng)注意圖 3 的頻率軸上的線性比例，它清晰描繪了濾波器在通帶內(nèi)的線性相位行為。以下公式定義了群延時(shí)相移對(duì)于頻率的負(fù)偏導(dǎo)數(shù)：

　　　　　　群延時(shí)= -δφ/δf。

　　在直流電時(shí)，電阻器R₁把濾波器的輸入電阻設(shè)定為383Ω。如果應(yīng)用需要更高的輸入阻抗，則可在濾波器前面插入單位增益緩沖器，代價(jià)是失真和噪聲增大。對(duì)于需要依靠±15V電源工作的設(shè)備，可用電壓更高的放大器代替AD8656，比如模擬器件公司的AD8672低失真低噪聲 (3.8nV/√Hz) 雙運(yùn)算放大器。