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Schaltung Hochleistungsfähiges 30-kHz-Besselfilter für Audioanwendungen

| Autor: Kristin Rinortner

Der Präzisionsverstärker AD8656 eignet sich als Besselfilter zur Glättung der Ausgänge von Audio-D/A-Wandlern oder als Antialiasingfilter für die Eingänge von Audio-ADCs.

Der rauscharme CMOS-Präzisionsverstärker AD8656 arbeitet mit konstanter Gleichtaktspannung und minimiert somit Verzerrungen.
Der rauscharme CMOS-Präzisionsverstärker AD8656 arbeitet mit konstanter Gleichtaktspannung und minimiert somit Verzerrungen.
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Mit seinen elektrischen Eigenschaften eignet sich der rauscharme CMOS-Präzisionsverstärker AD8656 als Besselfilter zur Glättung der Ausgänge von Audio-D/A-Wandlern oder als Antialiasingfilter für die Eingänge von Audio-ADCs.

Filter mit linearem Phasengang werden oft in Audioanwendungen eingesetzt, in denen Rauschen unterdrückt werden muss, ohne die Phase des Signals zu verändern. Bei Besselfiltern benötigen sämtliche Frequenzanteile des Signals dieselbe Zeit, um das Filter im Durchlassbereich zu durchqueren (Gruppenlaufzeit).

Aufgrund ihrer schnellen Sprungantwort mit extrem geringem Überschwingen oder Effekten wie Filter-Ringing eignen sich Besselfilter besonders zur Glättung der Ausgänge von Audio-D/A-Wandlern oder als Antialiasingfilter für die Eingänge von Audio-ADCs. Sie werden auch zur Analyse der Signale am Ausgang eines Klasse-D-Verstärkers genutzt.

Die Filter bieten nur eine geringe Selektivität. Um ähnlich wie bei Butterworth-, Tschebyschef- oder anderen Filtern eine bestimmte Dämpfung im Sperrband zu erreichen, sind Besselfilter höherer Ordnung erforderlich. Ein optimales Rauschverhalten sowie möglichst geringe Verzerrungen erreicht man nur bei einer sorgfältigen Auswahl von Verstärkern und anderen Bauteilen.

Audioverstärker müssen rauscharm sein

Audiosignale sind bipolar. Dies bedeutet, dass die in Audioanwendungen eingesetzten Verstärker an bipolaren Versorgungsspannungen mit niedrigen Pegeln arbeiten, eine stabile Verstärkung bei Eins-Verstärkung aufweisen und über Rail-to-Rail-Ausgänge verfügen müssen. Darüber hinaus dürfen die Verstärker nur ein geringes Rauschen aufweisen, damit das für hochwertigen Audioklang erforderliche Signal-/Rausch-Verhältnis erzielt werden kann.

Der rauscharme CMOS-Präzisionsverstärker AD8656 erfüllt alle genannten Voraussetzungen. Er ist für den invertierenden Betrieb konfiguriert, arbeitet mit konstanter Gleichtaktspannung und minimiert somit Verzerrungen. Das thermische Rauschen wird mit einem Widerstand <1 kΩ minimiert. Alle Verstärker haben bei einer Bandbreite von 30 kHz ein Rauschen unter 3 nV/√Hz. Damit ergibt sich ein Gesamtrauschen <3,5 µVeff. Das Signal-/Rausch-Verhältnis ist besser als 109 dB (Eingangssignal 1 Veff). Die gesamte harmonische Verzerrung plus Rauschen (THD+N) ist besser als 0,0006% bei einem Eingangssignal von 1 kHz.

Die Verstärkung im Durchlassbereich beträgt 0 dB mit 1,2 dB Flatness Out bis 20 kHz. Bei einem –3 dB-Punkt bei 30 kHz hat ein Besselfilter achter Ordnung eine theoretische Dämpfung von –110 dB bei 300 kHz, die bei höheren Frequenzen um –160 dB/Dekade sinkt. Dies bewirkt eine ausreichende Dämpfung des Schaltrauschens, das bei Audiosignalen normalerweise im Bereich 300 kHz bis 1 MHz liegt. Die Gruppenlaufzeit, die sich mathematisch aus der negativen Ableitung der Phasenverschiebung über die Frequenz ergibt, ist bis etwa 17 µs konstant. Dies bestätigt das lineare Phasenverhalten des Filters im Durchlassbereich.

Die DC-Eingangsimpedanz wird über R1 eingestellt und beträgt 383 Ω. Für Anwendungen, in denen eine Versorgungsspannung von ±15 V erforderlich ist, kann das Filter durch den rauscharmen Operationsverstärker AD8672 (3,8 nV/√Hz) mit geringer Verzerrung ersetzt werden.

Der Autor: Troy Murphy arbeitet bei Analog Devices.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

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