ZHCAFR1A September 2025 – October 2025 RES11A , THS4531 , THS4531A , THS4535 , THS4541 , THS4551 , THS4561

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簡介

本應用手冊旨在優化將傳統運算放大器的多反饋 (MFB) 濾波器轉換為適合與全差分放大器 (FDA) 配合使用的差分濾波器的過程。將 FDA 用作有源濾波器時，大多數在線濾波器設計者和工具根本不會分析全差分放大器。使用全差分放大器來驅動這些 ADC 的輸入有多項優勢，例如，能通過直流耦合將單端信號轉換為差分信號、在一級中增加增益和有源濾波、獨立輸出共模控制和改善二階諧波性能等。

如需對各種濾波器類型（巴特沃斯，貝塞耳等）、傳遞函數、支持公式等進行更完整的分析，請考慮評估本文末尾列出的參考文獻。

MFB 運算放大器實現方案

最簡單地說，MFB 濾波器可設計用于傳統運算放大器，然后只需翻轉或鏡像到負極端子上并在反饋網絡的兩側進行復制。若要生成用于轉換的運算放大器 MFB 模型，請使用德州儀器 (TI) 的濾波器設計工具。圖 1 通過下面的核心 5 基本組件演示了這一原理。

圖 1 運算放大器至差分放大器 MFB 濾波器

注：如果正在開發的設計具有源阻抗或需要端接電阻器，請記住在 FDA 的反相輸入端添加一個電阻器，以匹配同相輸入的阻抗。有關此主題的更多詳細信息，請參閱本文末尾的參考文獻。

圖 2 驅動 ADC 的差分放大器 MFB 濾波器

兩個標有 C2 的電容器可以使用公式 (1) 串聯成一個無源元件，如圖 6 所示。

方程式 1.

C_{t o t a l} = \frac{1}{C_{2}} + \frac{1}{C_{2}} = \frac{1}{2} C_{2}

仿真實現和結果

表 1 概述了一種常用濾波器應用的示例設計要求，即用于驅動 1MSPS SAR ADC 的抗混疊濾波器。要生成無源值，請使用德州儀器 (TI) 的濾波器設計工具 來生成可轉換為 FDA 濾波器的運算放大器濾波器。

表 1 設計要求

參數	目標值
濾波器類型	二階低通巴特沃斯 (Q = 0.707)
截止頻率	500kHz
目標增益	1V/V
FDA	THS4535
ADC 采樣率	1MSPS
目標 ADC	ADS8860

圖 3 500kHz、增益= 1V/V、低通濾波器原理圖

圖 4 500kHz、增益 = 1V/V、低通濾波器 OPA365 運算放大器頻率響應

圖 5 500kHz、增益 = 1V/V、低通濾波器 THS4535 FDA 頻率響應

表 2 概述了一個增益為 2V/V 的其他設計示例，以展示僅利用一個有源元件時，單端到差分轉換、增益增加和有源濾波情況。

表 2 設計要求

參數	目標值
濾波器類型	二階低通巴特沃斯 (Q = 0.707)
截止頻率	500kHz
目標增益	2V/V
FDA	THS4535
ADC 采樣率	1MSPS
目標 ADC	ADS8860

圖 6 500kHz、增益= 2V/V、低通濾波器原理圖

圖 7 500kHz、增益 = 2V/V、低通濾波器 OPA365 運算放大器頻率響應

圖 8 500kHz、增益 = 2V/V、低通濾波器 THS4535 FDA 頻率響應

為了進一步提高系統的濾波器匹配和 CMRR 性能，請考慮使用 TI 的精密匹配電阻器 RES11A。

Sallen-Key 實現

Sallen-Key 濾波器通常不與全差分放大器一起使用。由于依賴于連接到傳統運算放大器反相和同相端子的反饋路徑，因此在本文件中不考慮這一點。在此配置中，每個端子上的阻抗不匹配 - 如果將其復制到 FDA 上，阻抗不匹配會導致高失真和其他電路異常。因此，通常建議在全差分放大器中使用前述的 MFB 濾波器拓撲。

參考資料

德州儀器 (TI)，德州儀器 (TI) 的濾波器設計工具
德州儀器 (TI)，在全差分有源濾波器中使用無限增益、MFB 濾波器拓撲，模擬應用說明。
德州儀器 (TI)，設計前端以驅動差分 ADC，視頻
德州儀器 (TI)，有源低通濾波器設計，應用手冊。
德州儀器 (TI)，AN-1393 使用高速差分放大器驅動模數轉換器，應用手冊。
德州儀器 (TI)，使用全差分放大器，從單端輸入至差分輸出電路，模擬工程師電路。
德州儀器 (TI)，THS4551 低噪聲、高精度 150MHz 全差分放大器，數據表。