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[运放]

信号通过运放滤波电路后引起总失真变大的问题(大红包答谢)

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楼主
flyriz|  楼主 | 2020-12-26 13:05 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 flyriz 于 2020-12-26 22:14 编辑

#申请原创#
大家好,我正在设计一个声学测量放大器,其中有一个信号放大输出的功能,要求放大电路带宽包含22.4Hz~22.4KHz,信号的总失真不能超过0.1%
,我采用了一个如下的放大电路,其低通-3dB截止频率为24KHz:

为尽可能滤除高频噪声,做了低通滤波的功能。当DAC输出的是1KHz的正弦波信号时,交流输出的总失真大概在0.05%,现在的问题是,当信号的频率变高,比如20KHz时,则交流输出的总失真变为0.5%。如把C6改成10nF,低通-3dB截止频率变为66KHz,此时20KHz信号的总失真变为0.2%左右,如果继续把截止频率调高,可能是因为高频噪声的影响,总失真又会变大。矛盾的地方在于,想要带宽尽可能窄,又要总失真小。说明一下:实际的电路用的是OPA1602,仿真软件没找到这个型号,所以用OPA2132代替。
我想请教的问题是,为什么同一个电路,在输入信号的频率变化时,输出信号的总失真变化,而且是越靠近截止频率,失真越大。谢谢!

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Jack315 2020-12-28 10:46 回复TA
TI 官网上有 OPA1602 的 SPICE 模型。 

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沙发
雪山飞狐D| | 2020-12-26 23:11 | 只看该作者
贝赛尔(Bessel)滤波器是具有最大平坦的群延迟(线性相位响应)的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟,因而在通频带上保持了被过滤的信号波形。贝塞尔(Bessel)滤波器具有最平坦的幅度和相位响应。带通(通常为用户关注区域)的相位响应近乎呈线性。Bessel滤波器可用于减少所有IIR滤波器固有的非线性相位失真。

另外请确保你的运放带宽足够大

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板凳
flyriz|  楼主 | 2020-12-27 19:06 | 只看该作者
雪山飞狐D 发表于 2020-12-26 23:11
贝赛尔(Bessel)滤波器是具有最大平坦的群延迟(线性相位响应)的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥 ...

运放的带宽没有问题

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地板
雪山飞狐D| | 2020-12-27 21:45 | 只看该作者
flyriz 发表于 2020-12-27 19:06
运放的带宽没有问题

   贝塞尔二阶,群延迟和相位相对比较平滑,适合音频,你后面的一阶RC可以不需要,保证贝塞尔特性

QQ图片20201227214053.png (484.33 KB )

QQ图片20201227214053.png

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雪山飞狐D 2020-12-28 13:04 回复TA
@flyriz :你的R3和C5是一个不稳定因素,是个极点,不建议接 
flyriz 2020-12-28 10:01 回复TA
@Jack315 :也是一种思路 
Jack315 2020-12-28 00:04 回复TA
貌似偏题了 
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Jack315| | 2020-12-28 11:02 | 只看该作者
理解 LZ 遇到的问题是 THD 随信号频率发生变化。
如果是这个问题的话,表明电路元件的参数/性能存在非线性,并且与信号频率有关。
从工程角度判断,运放某些特性是最值得怀疑的。
但无法就此下定论,因为其它元件也是有可能的。

用 DOE 的方法能找出具体是哪个原因。具体方法 LZ 可以参考这个帖子:
六西格玛设计(DFSS)案例 —— 三角波发生器
bbs.21ic.com/icview-1709808-1-1.html

用 DOE 的方法,不仅可以定位出关键因素,而且可以对电路进行优化,
从而满足设计要求。不知道 LZ 有兴趣试试不?

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6
zyj9490| | 2020-12-28 11:52 | 只看该作者
应是DAC带来的吧,滤波放在前面,一级RC滤波不够的。做成一个带宽滤波器。DAC出来的本身的THD是多少啊?随频率提高。常规一级OP没有怎么大的THD。

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7
flyriz|  楼主 | 2020-12-28 13:11 | 只看该作者
Jack315 发表于 2020-12-28 11:02
理解 LZ 遇到的问题是 THD 随信号频率发生变化。
如果是这个问题的话,表明电路元件的参数/性能存在非线性 ...

@zyj9490 6楼的兄弟说的对,失真是从DAC带出来的。如果不用DAC,直接把信号发生器接放大电路,则失真非常低,大概0.03%。另外,我上面还提到一个问题,就是把放大电路的上限截止频率调高,它的失真也是会变低的。感觉就是靠近截止频率后,失真就增大了。

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zyj9490 2020-12-28 15:50 回复TA
带宽变小,失真变小,是这样吧,上面意思打错了吧。 
zyj9490 2020-12-28 15:49 回复TA
重构滤波器的级数不够大。 
zyj9490 2020-12-28 15:46 回复TA
这是当然的,噪声与带宽高低有关。 
8
Jack315| | 2020-12-28 13:20 | 只看该作者
flyriz 发表于 2020-12-28 13:11
@zyj9490 6楼的兄弟说的对,失真是从DAC带出来的。如果不用DAC,直接把信号发生器接放大电路,则失真非常 ...

刚做完个仿真。运放用了个 LM324……
结果是否可靠不知道,暂且把结论先分享一下:
电路本身不引入(显著的) THD 失真;但作为前级的负载,导致了 THD 失真。

LZ 可以同时观察输入、输出信号的 THD,看看情况究竟如何。
如结果类似,输入端加个跟随器,再看看结果是否有什么变化。

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9
雪山飞狐D| | 2020-12-28 13:23 | 只看该作者
本帖最后由 雪山飞狐D 于 2020-12-28 13:27 编辑
flyriz 发表于 2020-12-28 13:11
@zyj9490 6楼的兄弟说的对,失真是从DAC带出来的。如果不用DAC,直接把信号发生器接放大电路,则失真非常 ...

      DAC你不接任何滤波器本身就是阶梯信号,用失真仪测出来都是谐波,当然失真大,要接滤波器才能做真*失真评估
      而截止频率附件失真大是滤波器特性,所以我建议你用有源贝塞尔滤波器,可以做到失真比较小,相位比较线性,音频的截止频率可以设置高一点, 40K都无所谓,底噪稍微大一些而已,设置太低了,20K附近高频衰减稍微大,而且附件失真会大一些

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10
Jack315| | 2020-12-28 13:49 | 只看该作者
DAC 的电路方便晒晒吗

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flyriz 2020-12-28 13:54 回复TA
就用的是AKM4452 
11
flyriz|  楼主 | 2020-12-28 13:57 | 只看该作者
Jack315 发表于 2020-12-28 13:49
DAC 的电路方便晒晒吗

AK4452

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12
Jack315| | 2020-12-28 14:42 | 只看该作者

这是 AK4452 的数据手册:

ak4452vn-en-datasheet.pdf (2.12 MB)

内部有数字滤波器,输出是双通道的差分模拟信号:



如果按照评估版的原理图,后续应该是接两个差分输入的 2-阶低通滤波器:

ak4452vn-en-evaluationmanual.pdf (968.65 KB)



不知道偶漏了什么?LZ 的电路究竟是接在哪里的?

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雪山飞狐D 2020-12-28 18:50 回复TA
@flyriz :换sallen key比较符合直觉 
雪山飞狐D 2020-12-28 18:49 回复TA
@flyriz :MFB 滤波器结构,这种结构高频泄露小,如果你觉得不爽sallen key, 你下那个软件试试就知道了,设计好滤波器然后用其他软件仿真评估一下就可以直接做板了 
flyriz 2020-12-28 17:48 回复TA
@雪山飞狐D :您的电路,Vout为什么分压后又接到同相输入了? 
雪山飞狐D 2020-12-28 16:18 回复TA
@flyriz :差分信号给你是要你把信号引到模拟部分然后接个差分放大器转成单端,然后在接二阶有源滤波器 
雪山飞狐D 2020-12-28 16:14 回复TA
@flyriz :DAC 后面要接二阶有源滤波器,音频最好是贝塞尔,你装我的图里的那个软件,截止频率可以设置到40-50K左右,这样20K就没多少衰减了 
zyj9490 2020-12-28 15:54 回复TA
@flyriz :从数字哉变成模拟哉的重构滤波器没有做好。数字滤波器要做成升频型的,对重构滤波器的性能压力(指标)才会降低。说白了,频率搬移(载频)升高。 
flyriz 2020-12-28 15:25 回复TA
我只接了差分中的一路信号,然后接上面的放大电路。 
雪山飞狐D 2020-12-28 15:17 回复TA
楼主就是没接二阶有源滤波器,只有一路RC 
13
xmar| | 2020-12-28 16:49 | 只看该作者
本帖最后由 xmar 于 2020-12-29 09:18 编辑

电路稍加改进。

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参与人数 1威望 +6 收起 理由
king5555 + 6 赞一个!电阻比值不会太悬殊,热杂也较小。
14
flyriz|  楼主 | 2021-1-12 15:13 | 只看该作者
本帖最后由 flyriz 于 2021-1-12 15:16 编辑

为了排除其他的干扰,我做了一个带通滤波模块来做验证(原理图见后面的大图),用的是SK型的结构,带宽要求为22.4Hz~22.4kHz,仍然是输出总失真要小于0.1%。模拟信号通过放大选择电路后经过信号跟随电路,先高通滤波,再低通滤波。结果如下表格:高频截止频率附近都满足要求;在0.4Vrms的输入信号时,不同频率的信号对应的输出总失真均满足要求,但是当输入信号幅度变大到4Vrms时,则:22.4Hz的信号可以满足要求,但是30Hz~100Hz之间的频率,有不同程序的失真,且是随频率的增加先增大后减小。反复测试都是如此。
输入信号幅度
不同频率的输入信号对应的总失真 /%
22.4Hz
30Hz
50Hz
100Hz
1kHz
22.4kHz
4Vrms
<0.1
0.18
0.25
<0.1
<0.1
<0.1
0.4Vrms
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
--------------------------------------------------------------------------------------
如把22.4Hz高通的部分电路跳开:
结果如下,只有在大信号的低频时有些超标,信号频率升高时,迅速好转:
输入信号幅度
不同频率的输入信号对应的总失真 /%
22.4Hz
30Hz
50Hz
100Hz
1kHz
22.4kHz
4Vrms
<0.16
0.12
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
0.4Vrms
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
--------------------------------------------------------------------------------------
如信号不经过滤波电路,直接从S1输出,则结果不受信号幅度和频率的影响,总失真都小于0.06%
从以上测试情况来看,似乎是低频的大信号会产生总失真偏大,而且是由于高通滤波电路导致的,大神能帮忙分析一下吗?

原理图:

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15
雪山飞狐D| | 2021-1-12 15:58 | 只看该作者
flyriz 发表于 2021-1-12 15:13
为了排除其他的干扰,我做了一个带通滤波模块来做验证(原理图见后面的大图),用的是SK型的结构,带宽要求 ...

   你的高通是贝塞尔结构了吗?你的R1和R2电阻取值有点偏大了,尽量取在10-20K左右,然后重新分配一下电阻和电容规格,试试

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16
Jack315| | 2021-1-12 19:54 | 只看该作者
问题可能与所使用的电容类型有关:






参考:
《一种有源滤波器谐波失真的机理分析》
[www.]doc88.com/p-1176985288271.html


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flyriz 打赏了 50.00 元 2021-01-19
理由:提供了一种关键的思路,成功找到突破口。

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Jack315 2021-1-19 12:27 回复TA
@flyriz :客气了,谢谢! 
Jack315 2021-1-13 13:17 回复TA
@flyriz :如果文章所述属实,问题就能迎刃而解。不妨换一种电容试试,验证一下。 另外,滤波器或可考虑用 DABP : 元件数量少,带宽和 Q 值可分别控制。 参考这个帖子:https://bbs.21ic.com/icview-3062850-1-1.html 
雪山飞狐D 2021-1-13 13:13 回复TA
@flyriz :便宜的用国产CBB,那种橘红色 
雪山飞狐D 2021-1-13 13:12 回复TA
@flyriz :上德国WIMA电容试试,那种方砖红色的,电容可能也是关键 
flyriz 2021-1-13 09:31 回复TA
您说的这个方向是新的思路,也是这就是一直困扰我的关键。 
17
flyriz|  楼主 | 2021-1-13 09:32 | 只看该作者
netjob 发表于 2021-1-13 09:08
不要玩 小日本的 DSD啊, DSD就是手机中的战斗**!      还有CD的44.1K取样也是很吐血的啊。 咋就是不是48K ...

不是音频设备,是声学测量类的仪器。

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18
nethopper| | 2021-1-16 01:10 | 只看该作者
测22.4kHz的THD,THD的计算带宽多大?

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19
flyriz|  楼主 | 2021-1-19 11:36 | 只看该作者
Jack315 发表于 2021-1-12 19:54
问题可能与所使用的电容类型有关:

我把滤波电路中的电容全部换成NP0电容后,问题解决,现在输出总失真全部在0.05%以下,赶上了世界品牌BK的性能。

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20
Jack315| | 2021-1-19 12:33 | 只看该作者
flyriz 发表于 2021-1-19 11:36
我把滤波电路中的电容全部换成NP0电容后,问题解决,现在输出总失真全部在0.05%以下,赶上了世界品牌BK的 ...

若使用 DFSS 的方法,能做出一流的产品,不知道 LZ 是否有意一试?
相关参考帖子再发一遍:

六西格玛设计(DFSS)案例 —— 三角波发生器
bbs.21ic.com/icview-1709808-1-1.html

如果 LZ 有意尝试,乐意继续提供无偿帮助

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