在語音和音樂合成的領域，經常使用電壓控制濾波器來包圍所產生的聲音訊號。在網路上以voltage controlled filter進行搜索，可以找到許多用於音樂合成和聲音效果處理的元件。但是由於成本高，或者需要使用的外加元件較多、設計複雜，多數該類元件不適合嵌入式系統應用。實行壓控濾波器功能的另外一種方法是採用可連續調節電源電流的運算放大器，例如LPV531型運算放大器，該放大器的電源電流可以在1uA到400uA的範圍內連續調節。放大器的電源電流則可透過一個10位元的數位類比轉換器DAC101S101來調節。在該方案中，放大器的增益頻寬是電源電流的函數。(圖一)中顯示了LPV531的電源電流對其增益頻寬和相位裕度的影響。以下將介紹LPV531的特點，以及構成電壓控制濾波器的方法。
LPV531及DAC101S101的特點
LPV531是一種可編程、以CMOS輸入、軌道至軌道輸出的微功率運算放大器。若希望調節LPV531的增益頻寬調節和功率級別則僅借助一枚外置電阻。透過變更外置電阻上的偏壓即可在LPV531待機和滿功率模式之間進行切換。該運算放大器在最低頻率73KHz運作時的功率消耗僅為5uA，在最高頻率4.6MHz運作時的功率消耗僅為425uA。
輸入偏移電壓相對比較獨立，不會受到功率級別選擇的影響。LPV531採用CMOS輸入級，因此輸入偏置電流僅為50fA，共同模式輸入電壓範圍可從負電壓到正電源電壓以下1.2V。同時，LPV531軌道至軌道的AB類輸出階使其在低電源電壓時也可以提供最大的動態範圍。LPV531的典型參數如下︰
- 2.7V到5.5V電源電壓；
- 5uA到425uA連續可程式電源電流；
- 輸入共同模式電壓範圍－0.3V到3.8V；
- 共同模式抑制比為95dB；
- 軌至軌輸出電壓擺幅；
- 1mV輸入偏移電壓；
- 73KHz到4.6MHz連續可程式增益頻寬；
- 小體積的SOT23-6封裝，適用於手持電子設備和可攜式應用。
在此方案中使用數位類比轉換器來調節放大器的電源電流，DAC101S101是一款全功能通用10位元電壓輸出型數位類比轉換器。它使用單電源供電，電壓範圍為2.7V到5.5V，在3.6V運作電壓時的功率消耗僅為175uA。晶片上的輸出放大器使其輸出軌道至軌道的擺幅。在規定的電源電壓範圍內，其三線串行介面的時脈頻率可高達30MHz，而同類競爭產品只能在2.7V到3.6V的工作電壓範圍內執行20MHz的時脈頻率。DAC101S101串行介面兼容於SPITM、QSPI、MICROWIRE、以及DSP標準。DAC101S101的典型參數如下︰
- ＋0.15、－0.05LSB的DNL
- 輸出穩定時間︰8uS。
- 零代碼誤差︰3.3mV。
- 滿幅誤差︰－0.06％FS。
- 可靠單調性。
- 低功耗。
- 上電自動零電壓輸出。
- 同步中斷功能。
- 省電模式。
- 工業溫度範圍︰－40℃到＋105℃。
小型TSOT-6和MSOP-8封裝，適用於電池供電的儀器、數位增益和偏置調整、可程式電壓源和電流源、以及可編程衰減器等
電源電流的控制
LPV531的總電源電流由流出ISEL控制引腳的電流進行動態控制(圖四）。電源電流比ISEL電流高出40倍。內部相對於電源負極的110mV參考電壓，以及一個11k歐姆的內部電阻，共同決定在ISEL引腳連接到電源負極時所能輸出的最大電流。在ISEL引腳和電源負極之間串入額外的阻抗將降低ISEL引腳的輸出電流。
用以下公式可以計算出電源電流的大約值︰
(圖二)中的曲線代表REXT和ISEL的關係，(圖三)則代表ISEL電流和放大器電源電流之間的關係。
為了實行一個電壓控制的濾波器，必須設計ISEL電流為依賴電壓而不是電阻。
實行方法及原理
| 《圖四 利用DAC101S101和LPV531組成的電壓控制濾波器》 |
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(圖四)顯示利用DAC101S101和LPV531組成電壓控制濾波器的原理。圖中使用10位元數位類比轉換器DAC101S101構成的電壓源和一個電阻分壓器來控制LPV531的ISEL引腳電流。從DAC101S101輸出的電壓透過由RSET1和RSET2組成的電阻分壓器施加到ISEL引腳。電阻分壓器的分壓比，設定為可以把數位類比轉換器的0到5V輸出變為加到ISEL引腳的0.0到0.11V電壓。如此一來，運算放大器LPV531的－3dB頻率就可以由施加到其ISEL引腳上的電壓來控制。
當控制電壓幾乎為0V時，ISEL電流由RSET1和RSET2的並聯電阻決定。當控制電壓大於零時，ISEL的電流由ISEL引腳的戴維南（Thevenin）等效電壓和阻抗決定。以下公式可用來計算放大器的電源電流︰
為簡化RSET1和RSET2的選單，假設RSET1遠小於RSET2。在這種情況下，控制電壓為0V時，ISEL電流的最大值主要由電阻RSET1決定。此外ISEL的電流小於10uA，與電壓源電流相比小許多。在給定RSET1和最大控制電壓時，可以用公式三計算RSET2的電阻值。
圖四顯示將LVP531用作單位增益緩衝器的情況。在這類應用中，為了適應輸入和輸出的訊號水準，也可以把運算放大連接成帶有一定增益的反相或非反相的放大器模式。
(圖五)和(圖六)分別是控制電壓為0.5V和3.0V時的開環增益相位圖。
結語
本文介紹如何透過控制電壓來控制微功率運算放大器的電源電流，以此實行電壓控制濾波器電路的方法。這種方法具有成本低、外加元件數量少等優點。文中的運算放大器採用美國國家半導體具有CMOS輸入、軌道至軌道輸出的可編程LPV531元件，具備功率消耗低、工作電壓範圍寬等特點。
（作者為美國國家半導體應用工程師）
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