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使用模拟减法而不使用反相器消除PWM DAC纹波

2023-04-19 09:45:18 Stephen Woodward 阅读:
每个PWM DAC都需要进行模拟滤波,以将所需的直流分量与不期望的交流纹波分开。最简单的滤波器是单级RC低通滤波器。通过使RC足够长,可以实现任何所需程度的纹波衰减,但DAC响应时间将相应受到影响。

每个PWM DAC都需要进行模拟滤波,以将所需的直流分量与不期望的交流纹波分开。最简单的滤波器是单级RC低通滤波器。对于50%占空比的最坏情况,它给出了约Tpwm/4RC的Vrpp(纹波峰峰值振幅,以满量程的分数表示),其中Tpwm=PWM周期。显然,通过使RC足够长(例如,对于Vrpp=1/28=一个8位LSB,RC=64Tpwm),可以实现任何所需程度的纹波衰减,但DAC响应时间将相应受到影响。KCoednc

例如,对于8位的情况,响应时间≈64ln(28)Tpwm=355Tpwm。KCoednc

两级级联RC滤波器(1)可实现更好性能(参见2中的41Tpwm稳定),因为可以通过更短的RC时间常数实现所需的纹波衰减——例如,1中的702µs,与之相比,单级RC则需要16ms。KCoednc

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图1:两级无源RC滤波器,其值针对8位及256µs Tpwm给定。KCoednc

KCoednc

图2:两级RC 8位、1LSB、0.004峰峰值纹波,以及41Tpwm稳定时间。KCoednc

但是,如果41Tpwm仍然不够快怎么办?我们可以做什么?KCoednc

当然,可以将RC常数减少,如3所示,其RC为500µs,因此得到30Tpwm稳定时间。但是现在纹波膨胀到了1/128=2LSB,这就可能不可接受了。KCoednc

KCoednc

图3:减少RC可实现更快的30Tpwm稳定,但纹波增加了一倍。KCoednc

建议的解决方案是仔细检查纹波波形及其与原始PWM的相位关系,如4所示。KCoednc

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图4:半正弦纹波与PWM信号异相约180°。KCoednc

无源滤波器的每个RC级除了使纹波衰减外,还会使其相移约-90°。这会导致最终纹波信号产生半个周期延迟,因此相对于原始PWM发生反相,这就使简单的无源求和等同于减法。相应的电路如5所示。KCoednc

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图5:通过模拟减法而不用反相器消除纹波的电路。KCoednc

R3-R4分压器将1LSB振幅PWM分量相加,将净输出纹波分量从2LSB减少约50%至1LSB,与1所实现的衰减相同。所生成的输出信号——与4中的30Tpwm稳定时间相同——如6所示。KCoednc

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图6:无源PWM减法后的净纹波和稳定。KCoednc

尽管本文的主题是在不使用有源反相器的情况下减少纹波,但仍然很想将上述结果与替代方案进行比较(如78所示)。在不影响1LSB Vrpp的情况下,其大约25Tpwm的稳定速度是1原始双RC 41Tpwm速度的两倍。KCoednc

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图7:使用有源反相器的纹波滤波器电路。KCoednc

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图8:使用有源反相器消除纹波。KCoednc

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图9:无源纹波减法也可以通过(稍微)更简单的电路来完成。KCoednc

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图10:图9电路的性能实际上与图5相同。KCoednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Cancel PWM DAC ripple with analog subtraction but no inverter,由Franklin Zhao编译。)KCoednc

本文为《电子技术设计》2023年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里KCoednc

责编:Demi
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Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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