在语音和音乐合成的领域，经常使用电压控制滤波器来包围所产生的声音讯号。在网路上以voltage controlled filter进行搜索，可以找到许多用于音乐合成和声音效果处理的元件。但是由于成本高，或者需要使用的外加元件较多、设计复杂，多数该类元件不适合嵌入式系统应用。实行压控滤波器功能的另外一种方法是采用可连续调节电源电流的运算放大器，例如LPV531型运算放大器，该放大器的电源电流可以在1uA到400uA的范围内连续调节。放大器的电源电流则可透过一个10位元的数位类比转换器DAC101S101来调节。在该方案中，放大器的增益频宽是电源电流的函数。 (图一)中显示了LPV531的电源电流对其增益频宽和相位裕度的影响。以下将介绍LPV531的特点，以及构成电压控制滤波器的方法。
LPV531及DAC101S101的特点
LPV531是一种可编程、以CMOS输入、轨道至轨道输出的微功率运算放大器。若希望调节LPV531的增益频宽调节和功率级别则仅借助一枚外置电阻。透过变更外置电阻上的偏压即可在LPV531待机和满功率模式之间进行切换。该运算放大器在最低频率73KHz运作时的功率消耗仅为5uA，在最高频率4.6MHz运作时的功率消耗仅为425uA。
输入偏移电压相对比较独立，不会受到功率级别选择的影响。 LPV531采用CMOS输入级，因此输入偏置电流仅为50fA，共同模式输入电压范围可从负电压到正电源电压以下1.2V。同时，LPV531轨道至轨道的AB类输出阶使其在低电源电压时也可以提供最大的动态范围。 LPV531的典型参数如下︰
- 2.7V到5.5V电源电压；
- 5uA到425uA连续可程式电源电流；
- 输入共同模式电压范围－0.3V到3.8V；
- 共同模式抑制比为95dB；
- 轨至轨输出电压摆幅；
- 1mV输入偏移电压；
- 73KHz到4.6MHz连续可程式增益频宽；
- 小体积的SOT23-6封装，适用于手持电子设备和可携式应用。
在此方案中使用数位类比转换器来调节放大器的电源电流，DAC101S101是一款全功能通用10位元电压输出型数位类比转换器。它使用单电源供电，电压范围为2.7V到5.5V，在3.6V运作电压时的功率消耗仅为175uA。晶片上的输出放大器使其输出轨道至轨道的摆幅。在规定的电源电压范围内，其三线串行介面的时脉频率可高达30MHz，而同类竞争产品只能在2.7V到3.6V的工作电压范围内执行20MHz的时脉频率。 DAC101S101串行介面兼容于SPITM、QSPI、MICROWIRE、以及DSP标准。DAC101S101的典型参数如下︰
- ＋0.15、－0.05LSB的DNL
- 输出稳定时间︰8uS。
- 零代码误差︰3.3mV。
- 满服务差︰-0.06%FS。
- 可靠单调性。
- 低功耗。
- 上电自动零电压输出。
- 同步中断功能。
- 省电模式。
- 工业温度范围︰－40℃到＋105℃。
小型SOT-6和MSOP-8封装,适用于电池供电的仪器、数位增益和偏置调整、可程式电压源和电流源、以及可编程衰减器等
电源电流的控制
LPV531的总电源电流由流出ISEL控制引脚的电流进行动态控制(图四）。电源电流比ISEL电流高出40倍。内部相对于电源负极的110mV参考电压，以及一个11k欧姆的内部电阻，共同决定在ISEL引脚连接到电源负极时所能输出的最大电流。在ISEL引脚和电源负极之间串入额外的阻抗将降低ISEL引脚的输出电流。
用以下公式可以计算出电源电流的大约值︰
(图二)中的曲线代表TEXT和ISEL的关系,(图三)则代表ISEL电流和放大器电源电流之间的关系。
为了实现一个电压控制的滤波器,必须设计ISEL电流为依赖电压而不是电阻。
实行方法及原理
| 《图四 利用DAC101S101和LPV531组成的电压控制滤波器》 |
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(图四)显示利用DAC101S101和LPV531组成电压控制滤波器的原理。图中使用10位元数位类比转换器DAC101S101构成的电压源和一个电阻分压器来控制LPV531的ISEL引脚电流。从DAC101S101输出的电压透过由RSET1和RSET2组成的电阻分压器施加到ISEL引脚。电阻分压器的分压比，设定为可以把数位类比转换器的0到5V输出变为加到ISEL引脚的0.0到0.11V电压。如此一来，运算放大器LPV531的－3dB频率就可以由施加到其ISEL引脚上的电压来控制。
当控制电压几乎为0V时，ISEL电流由RSET1和RSET2的并联电阻决定。当控制电压大于零时，ISEL的电流由ISEL引脚的戴维南（Thevenin）等效电压和阻抗决定。以下公式可用来计算放大器的电源电流︰
为简化RSET1和RSET2的选单，假设RSET1远小于RSET2。在这种情况下，控制电压为0V时，ISEL电流的最大值主要由电阻RSET1决定。此外ISEL的电流小于10uA，与电压源电流相比小许多。在给定RSET1和最大控制电压时，可以用公式三计算RSET2的电阻值。
图四显示将LVP531用作单位增益缓冲器的情况。在这类应用中，为了适应输入和输出的讯号水准，也可以把运算放大连接成带有一定增益的反相或非反相的放大器模式。
(图五)和(图六)分别是控制电压为0.5V和3.0V时的开环增益相位图。
结语
本文介绍如何透过控制电压来控制微功率运算放大器的电源电流，以此实行电压控制滤波器电路的方法。这种方法具有成本低、外加元件数量少等优点。文中的运算放大器采用美国国家半导体具有CMOS输入、轨道至轨道输出的可编程LPV531元件，具备功率消耗低、工作电压范围宽等特点。
（作者为美国国家半导体应用工程师）
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