单电源单运放二阶滤波加直流偏置（不能隔直）

向阳xl

备注：因初版表述问题不完整，特此重新编辑一下力求表述清问题与自己的需求。
图中最右侧c105为采样保持电容，其右端为一采样开关（通过相敏检波，采样的是lvdt的输出信号），所以不考虑右侧电路。 u15A 这个缓冲器是用来隔离采样保持电容与后级的滤波电路，以保证采样电容能保持电压。采样保持后的电压范围为（-1.5V~1.5V），即U15A的输出信号是（-1.5V~1.5V），作为滤波器的输入。 滤波器的输出信号要为（0~3.3V），以输入给单片机ad采集。 

为了减少运放个数，单电源的二阶低通滤波这里只能使用一个运放。 

求问：如何实现偏置以使滤波器正确输出0~3.3V电压？ 

上图所示为目前设计，输入端加了一个22uf的电容，高通，但会隔直。 

输出交流-1.5V~1.5V时没问题，但我设计中存在lvdt传感器保持在固定位置不变因而采样输出变为恒定的DC，范围也在（-1.5V~1.5V）内。所以此方案中c103电容不可以加。 但是我直接去掉该电容也不可以。得不到正确波形。 

特此求助请大家指点一下。

向阳xl

本问题自发出至解决仅用了半天多，在此特别感谢maychang和gmchen的帮助，他们耐心地回复，并且给了详细指点，问题解决的同时也让我进一步学到了相关的知识与思考方式。本论坛真的太强大了。

大家可以参看10楼，14楼，16楼，17楼参看详细思路。 我采取了gmchen在17楼的建议作解决方案。

我的问题是一个电平偏移问题，受限于运放个数，这个偏移只能合并加在右侧电压跟随器上或左侧单电源滤波电路中。

第一个思路：加于右侧电压跟随器上，但注意不影响最右侧采样保持电容的保持电压。  （14,16楼）

我的仿真电路如图一

第二个思路：17楼， 将加法电路与滤波电路合并。 

设计电路见图二。

 

maychang

“而我设计要求不能隔直。”

不能隔直，那就只能使用双电源为运放供电。

maychang

输入信号为-1.5V~1.5V，不能隔直，单片机（0~3.3V）怎么能接受这个可能为负值的信号？

maychang

猜测你的要求是：对-1.5V~1.5V的输入信号施加适当的偏置，再进行滤波处理，滤波后信号送单片机进行AD转换。

向阳xl

maychang 发表于 2019-10-14 12:24 猜测你的要求是：对-1.5V~1.5V的输入信号施加适当的偏置，再进行滤波处理，滤波后信号送单片机进行AD转换。 ...

嗯嗯，是的，非常感谢您的回复。 是我没表达清楚意思，  就是想把这个信号偏置到0-3.3v （或是0-3.3的一个较大范围），然后单片机ad采集这个直流信号。 

请问您能指点一下思路吗？

向阳xl

maychang 发表于 2019-10-14 12:24 猜测你的要求是：对-1.5V~1.5V的输入信号施加适当的偏置，再进行滤波处理，滤波后信号送单片机进行AD转换。 ...

我最初设计是在采样电容后面加了一个正偏移的电压跟随，但是设计存在问题是，  我参考电压会与采样保持电压间形成一个充放电回路，所以会影响保持电压。 这才改成了不带偏移的电压跟随器。

又想能否在单电源单运放滤波这儿施加这个偏置电压？ 

如果能利用前一个运放施加了偏置又不影响保持电压，也可以的。 

maychang

向阳xl 发表于 2019-10-14 16:15 我最初设计是在采样电容后面加了一个正偏移的电压跟随，但是设计存在问题是，  我参考电压会与采样 ...

对使用单电源的运放施加直流偏置，如果电源电压比较稳定的话，通常是用两个电阻对电源电压分压。

这两个电阻分压，不能放到运放输出端，因为运放输出电阻很小。放到运放同相输入端最好。

向阳xl

maychang 发表于 2019-10-14 16:47 对使用单电源的运放施加直流偏置，如果电源电压比较稳定的话，通常是用两个电阻对电源电压分压。 这两 ...

请问在我的这个设计中，我不加输入电容，把电阻分压加偏置的那个电路前移到靠近运放同相输入端那侧。 这样可行吗？仿真这样加好像不行。

 

 

QWE4562009

maychang 发表于 2019-10-14 11:21 “而我设计要求不能隔直。” 不能隔直，那就只能使用双电源为运放供电。

双电源就不隔直流？

maychang

向阳xl 发表于 2019-10-14 16:15 我最初设计是在采样电容后面加了一个正偏移的电压跟随，但是设计存在问题是，  我参考电压会与采样 ...

首帖第二幅电原理图，U15A同相输入端对地有个0.1uF电容C105。这个电容，显然是要与其前面(右边)的一个电阻(也可能就是信号源内阻)构成一阶低通滤波。R147和R153构成的分压器，放到这里可能比较合适。

但需要注意：两个电阻构成的分压器，不应该受信号源的影响。所以最好在C105上端与运放同相输入端之间加一个电阻，而R147和R153构成的分压器中点接在运放同相输入端上。串联进C105上端和运放同相输入端之间的这个电阻，其阻值不能太大，以免运放偏置电流在此电阻上压降太大，但也不能太小，否则R147和R153数值需要修正。该电阻具体可以用多大，需要根据U15A偏置电流来计算一下。

向阳xl

maychang 发表于 2019-10-14 17:03 首帖第二幅电原理图，U15A同相输入端对地有个0.1uF电容C105。这个电容，显然是要与其前面(右边)的一个电 ...

非常感谢您的指点。您说的这个加偏置要点我记下了。模电设计确实有很多的细节要考虑啊，从您的答复中受益很多！

不过在此处我的c105是一个采样保持电容，其右端是采样开关。 左侧的缓冲器就是为了尽可能阻断采样电容的放电回路。 如果我偏置电压在此处下功夫，那与采样电容间会有放电回路了。（之前的方案就是将偏置加在了这里）

所以现在的问题是，（1）要么此处的偏置不影响采样保持电容的保持电压。 （2） 要么是在后面的单电源滤波中输入是（-1.5~1.5v）,输出（0~3v）.  请问这个可以实现吗？

maychang

QWE4562009 发表于 2019-10-14 17:03 双电源就不隔直流？

“双电源就不隔直流？”

不是这个意思。

我想说的是：不用电容隔直流，那么首帖滤波电路就必须用双电源供电。首帖R147和R153构成的分压器不可能把运放U15A输出端拉高，因为U15A输出阻抗非常非常低。

maychang

向阳xl 发表于 2019-10-14 16:59 maychang 发表于 2019-10-14 16:47 对使用单电源的运放施加直流偏置，如果电源电压比较稳定的话，通常是 ...

“我不加输入电容，把电阻分压加偏置的那个电路前移到靠近运放同相输入端那侧”

因为信号源阻抗可能很低，这样施加偏置的话，信号源内阻将把电阻分压下边的电阻短路掉，所以仿真不行。

maychang

向阳xl 发表于 2019-10-14 17:43 非常感谢您的指点。您说的这个加偏置要点我记下了。模电设计确实有很多的细节要考虑啊，从您的答复中受益 ...

查TLE2072A手册，输入偏置电流在全温度范围内最大不超过5nA，估计典型值不会超过1nA。那么即使是1兆欧电阻，偏置电流在电阻上的压降也不会超过5mV(实际可能不到1mV)。如果5mV误差可以接受，那么C105上端到运放同相输入端串入1兆欧电阻，分压器联接到运放同相输入端，即可避免分压器对C105分流。这种情况下，要运放同相输入端得到准确的Vcc/2电压，需要对电阻值修正一下。

maychang

向阳xl 发表于 2019-10-14 17:43 非常感谢您的指点。您说的这个加偏置要点我记下了。模电设计确实有很多的细节要考虑啊，从您的答复中受益 ...

如果串入1兆欧电阻仍不能接受，那就要在U15A反相输入端想办法了。在反相输入端施加偏置，稍微麻烦一点点。

向阳xl

maychang 发表于 2019-10-14 18:53 查TLE2072A手册，输入偏置电流在全温度范围内最大不超过5nA，估计典型值不会超过1nA。那么即使是1兆欧电 ...

根据您的指点，我仿真测试了同相输入和反相输入两种情况。 

图一的方式是否是您本楼建议的加偏置方式呢，不知道我理解对没。（图一左侧，我偷懒只用了电容替代我的前级电路，而没有加信号源。前述您说信号源内阻很小。确实，如果我在输入端加了信号源，那么该运放同相输入端电平被拉低到地，仿真出的是0v直线。）。我分析下来，不管前述输出如何，在这个连接方式下，1兆欧电阻看成断路(流过的电流很小)，那输出端确实是一条恒定的电压输出的，为1.65v。故不能这样加。而如果修改阻值到它们之间的数量级相差不大，那么就有了给电容充电的回路了，也不行。

我把输入信号接在了反相端， 反相输入和反馈电阻两个电阻选了大阻值，增大输入电阻以尽量减少与采样保持电容间的电荷回路。 同相输入端产生的是0.825v参考电压。  

这样当输入信号是（-1.65——1.65v）时，输出是0-3.3v,   (-1.5-1.5v）也在此范围内能获得需要的直流输出。经后级滤波电路后滤波后送入单片机。  

还请您看下我这样想可以不， 这样设计可以吗？

gmchen

楼主的问题是一个电平偏移问题。解决电平偏移通常使用一个加法电路完成，但是楼主这里不希望增加运放，此时可以将加法电路与滤波器合在一起，具体做法如下：

1，将U15A改为+2.2倍的同相放大器，输出信号为-3.3V~+3.3V。

2，短路R151，开路R153，将R147和C103全部改为电阻，阻值等于R151的2倍，构成电阻加法器。

maychang

QWE4562009 发表于 2019-10-14 17:03 双电源就不隔直流？

楼主首帖图中U15A(跟随器)就必须使用双电源。

向阳xl

gmchen 发表于 2019-10-15 08:11 楼主的问题是一个电平偏移问题。解决电平偏移通常使用一个加法电路完成，但是楼主这里不希望增加运放，此时 ...

妙啊！ 谢谢您，试了一下这个方案是可行的。

请问我可以这样理解吗： 修改的那俩电阻单个来看，每一路跟前面的电阻电容仍然保持sallen-key的二阶滤波器结构，而俩电平相加也实现了电平的偏移。 

maychang

gmchen 发表于 2019-10-15 08:11 楼主的问题是一个电平偏移问题。解决电平偏移通常使用一个加法电路完成，但是楼主这里不希望增加运放，此时 ...

很巧妙！