Существуют две основные топологии фильтров, которые рассматривает каждый, кто начинает проектировать цепь обработки сигналов: топология с многопетлевой обратной связью (multiple-feedback, MFB) и топология Саллена-Ки. Но в чем их отличия и почему стоит предпочесть одну другой?
Фильтры MFB
Топология MFB (иногда называемая структурой с бесконечным усилением или структурой Рауха) часто предпочтительна, поскольку имеет низкую чувствительность к изменениям параметров усилителя, таких как коэффициент усиления без обратной связи или диапазон входных напряжений (Рисунок 1). Топология MFB образует фильтр второго порядка. Однокаскадный фильтр MFB (фильтр второго порядка) обеспечивает два полюса и инвертирует сигнал. В схемах, где требуется четное число каскадов, например, в фильтрах четвертого или восьмого порядка, полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного. Фильтр шестого порядка, состоящий из трех каскадов MFB, трижды инвертирует сигнал, в результате чего после третьего каскада получается инвертированный выходной сигнал. В прикладной схеме эта инверсия может быть, а может и не быть проблемой, особенно при наличии дифференциальных входных/выходных каскадов.
 |
|
| Рисунок 1. | Фильтр MFB нижних частот второго порядка с однополярным питанием. Коэффициент усиления этой схемы равен –R2/R1; VCM = V+/2. |
Усиление схемы на Рисунке 1 отрицательное и равно отношению сопротивлений резисторов R2 и R1. Такая схема позволяет получать различные отрицательные коэффициенты усиления. В целом топология MFB обеспечивает низкую чувствительность к разбросу номиналов компонентов. Необходимое значение емкости конденсатора C1 в схеме MFB может быть довольно низким до тех, пока разработчик использует разумные номиналы резисторов. При этом следует помнить, что низкие емкости конденсаторов могут привести к значительным ошибкам из-за паразитных емкостей схемы и входной емкости усилителя.
Фильтры Саллена-Ки
 |
|
| Рисунок 2. | Фильтр Саллена-Ки второго порядка с двуполярным питанием. Коэффициент усиления этой схемы равен 1 + R2/R1; VCM = V+/2. |
Существуют случаи, когда топология Саллена-Ки является лучшим выбором (Рисунок 2). Однокаскадный фильтр Саллена-Ки также обеспечивает два полюса, но не инвертирует сигнал. Это может быть предпочтительнее, чем однокаскадный фильтр MFB, но это не единственное потенциальное преимущество. Как правило, топология Саллена-Ки лучше, если:
- важна точность коэффициента усиления и
- необходим фильтр с единичным усилением и
- требуется низкая добротность (например, меньше 3).
При единичном усилении топология Саллена-Ки имеет отличную точность усиления. Это объясняется тем, что операционный усилитель включен в конфигурации буфера с единичным усилением и большим коэффициентом усиления без обратной связи. Соответственно, коэффициент усиления не зависит от резисторов в схеме. В топологии MFB коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов R2/R1 и погрешностями резисторов. Для топологии Саллена-Ки с единичным усилением также требуется меньше компонентов – два резистора вместо трех для MFB (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Фильтр нижних частот Саллена-Ки второго порядка с двуполярным питанием и единичным усилением. Коэффициент усиления этой схемы равен 1 В/В. |
Кроме того, для схемы может потребоваться низкое значение добротности Q. Связь между Q и коэффициентом затухания имеет вид Q = ½ζ, где ζ – коэффициент затухания. Чем выше добротность, тем легче возникают колебания в схеме, особенно на частоте среза 3 дБ.
Топология Sallen-Key может быть предпочтительнее для низкодобротных каскадов низкочастотных фильтров.
Интересной задачей является выбор правильного усилителя для этих схем. Не так просто подобрать усилитель с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, в 100 раз превышающим частоту среза фильтра. Расчет полосы пропускания усилителя должен включать в себя учет изменения полосы пропускания усилителя и изменения номиналов пассивных компонентов во времени, и это лишь некоторые из факторов, которые необходимо принимать во внимание.
