[参考译文] OPA2192：三级 50Hz 翻转陷波滤波器：集成后面临问题

Sachin、

1. 我认为问题在于您的电路不稳定。  这里、我使用“稳定“一词来表示电路具有负反馈、而“不稳定“则具有正反馈并可能振荡。  放大器的不稳定通常来自输出端的容性负载或反相输入端。   运算放大器高精度实验室视频系列 有关稳定性的部分详细介绍了此主题。  我相信有很多情况下 Fliege 滤波器是稳定的,但这种情况下它看起来并不稳定。   
2. 可以通过查找交流响应中的峰值以及小信号阶跃响应中的振荡来测试稳定性。  此电路显示了这两个问题。  请参阅随附的幻灯片 2。
3. TI 有一些滤波器设计工具。  我们没有涵盖 Fliege 拓扑的工具。  为了解决稳定性问题、我尝试了对您的设计进行一些调整、但没有成功。  我猜测、50Hz 陷波需要更大的电容器、这种拓扑对此很敏感。  我不确定这是否是问题、但最终电路不稳定。
4. 我能够使用我们的工具 Filter Pro设计稳定的 Sallen-Key 50Hz 陷波（请参阅幻灯片 3）、并连接了 TINA。  此陷波具有 40dB/十倍频程的陷波斜率。  每一级都额外增加 20dB/十倍频程、我使用了两个级。  我建议您尝试此拓扑。

e2e.ti.com/.../notch-filter-OPA192.pdf

e2e.ti.com/.../sallen_2D00_key_2D00_50Hz_2D00_notch.TSC

e2e.ti.com/.../Fliege_2D00_filter_2D00_50Hz_2D00_notch.TSC

此致、艺术

Sachin、

1. 应该尝试 对输入施加一个小信号阶跃。  小信号阶跃应为 10mVpp 至 50mVpp（越小越好）。  通常、 介于 1kHz 和 100kHz 之间的方波频率 A 将显示任何稳定性问题。  如果出现大量过冲和振铃、则系统不稳定。  根据您上面的回答、 我认为您不关心稳定性 但仿真显示电路存在显著的稳定性问题。  通常、仿真是准确的、因此我确实认为您应该仔细检查稳定性。  您可以并且可能也应该进行交流扫描。  如果增益在接近单位增益带宽限制时显著增加、则这是表明存在稳定性问题的另一个因素。
2. 我认为您实际需要担心的是、该电路未实现您预期的衰减。  这在陷波和带通滤波器中很常见。  原因是元件容差。  您可以执行 Monte Carlo 仿真来测试元件容差的影响。  通常问题是电容器容差。  大多数陶瓷电容器（X7R 及其他）的容差较差 (5%至 20%)。  C0G 电容器可以具有更好的容差、还具有许多其他优势（低失真，低电压系数，低温漂）。  C0G 电容器往往具有较低的电容值。  您可以在 220nF 中找到一些、但选择可能会受到限制。  C0G 在 100nF 及更低电流下更为常见。  薄膜电容器也非常适合这种情况、但会更大且更昂贵。  如果您已经在电容器上使用了 1%或更佳的容差、这可能不是问题、但您应通过 Monte Carlo 分析进行检查。  由于 0.1%电阻器不会太贵、我会一直使用这些器件。  带阻带宽越窄、电路对元件容差的影响就越大。
   1. 由于元件容差而产生的主要问题是陷波的中心以及陷波的两侧会移动。  这个问题被多级设计夸大了。  第一级的中心频率可能为 50.2Hz、第二级的中心频率可能为 49.8Hz。  中心频率差会使衰减更糟。
   2. 您可以在每一级上扫描频率、并确认中心实际位于何处。
3. 有源滤波器响应可能会出现的其他问题包括：
   1. 源阻抗。  信号源 直接连接到 RC 网络。  源阻抗可能影响响应。  在您的用例中、输入阻抗看起来非常高、因此我怀疑这是问题、但值得一提。  您可以通过缓冲输入（作为测试）来仔细检查此情况。
   2. 运算放大器输出阻抗。  这通常是低通滤波器的一个问题、其中衰减不会按预期滚降。  因为你有一个陷波在 50Hz 我怀疑这是一个问题。  您可以尝试使用不同的放大器、例如 50Hz 下输出阻抗较低的 OPA205、但我预计效果不会太大。

我希望此 信息有所帮助。

此致、艺术

Sachin、

1. 我认为问题在于元件容差。  下面是对滤波器的 Monte Carlo 分析、其中所有电阻器的容差设置为 1%、所有电容器的容差设置为 1%。  您没有提到 C0G 电容器上使用的容差、因此我假设为 1%、但一般来说、大多数 C0G 的容差都比 1%差。  当然、如果您使用容差较差的组件、您的结果将比 Monte Carlo 结果更差。  请注意、Monte Carlo 假设存在高斯分布、99.7%的总体处于 1%容差限内（即模拟+/–3 标准差作为容差）。
2. 从 Monte Carlo 可以看出、实际的陷波放置频率有 很大的差异。 仿真会查看 1000 种情况。 事实上、一些仿真运行在 50Hz 下的衰减非常差、因为陷波发生了显著偏移。  我在第二个图中将 Y 轴调整为–10dB、以强调这一点。  直方图显示了此总体在 50Hz 下的衰减。  当您级联多个级时、 由于元件容差、不同级的陷波将具有不同的频率、并且陷波将组合在一起以产生更宽但不更深的陷波。  
3. 您可以执行三项操作来解决该问题。  
   1. 选择容差更低的元件。  您当然可以使用 0.1% 的电阻器。  我不知道电容器的容差。  我通常在电容器中看到的最佳容差为 1%。  如果使用 5%的 C0G、则电容为 1%会显著提高。
   2. 选择更宽的阻带。  我不知道 Fliege  拓扑是否允许这样做。  较宽的阻带通常会使滤波器对元件容差不太敏感。
   3. 使用数字滤波器。  我怀疑这是您要做的、但数字滤波器纯粹是数学性质的、可以非常精确地放置一个陷波并进行深度衰减。  许多 ADC 都具有内置的 50Hz 陷波。  ADS127L21 具有内置的 IIR 和 FIR 滤波器数学引擎、支持自定义滤波器。
4. 我知道您正在寻找不同的答案、但强烈认为问题在于元件容差。  我花了大量时间使用带通滤波器、但遇到了相同的问题。   

此致、艺术