使用模拟减法但不使用反相器消除 PWM DAC 纹波

每个 PWM DAC 都需要模拟滤波，以将所需的直流分量与不需要的交流纹波分开。简单的滤波器是单级 RC 低通滤波器。对于 50% 占空比的坏情况，它给出了 ~Tpwm / 4RC 的 Vrpp（纹波峰峰值振幅，表示为满量程的分数），其中 Tpwm = PWM 周期时间。显然，通过使 RC 足够长（例如，RC = 64Tpwm，Vrpp = 1/28 = 一个 8 位 lsb），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：

例如，对于 8 位，响应时间 = ~64ln(2 8 )Tpwm = 355Tpm 。

两级级联 RC 滤波器（图 1）可以做得更好（参见图 2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，图 1 的 702 s 与 16 ms 形成对比需要单级 RC。

图 1一个两级无源 RC 滤波器，显示的值为 8 位和 256 s Tpwm。

图 2两级 RC 8 位、1 lsb、0.004 峰峰值纹波和 41Tpwm 稳定时间。

但是，如果 41Tpwm 仍然不够快怎么办？我们可以做什么？

当然，RC 常数可以减少，如图3所示，其 RC 为 500 s，产生 30Tpwm 稳定。但是现在纹波膨胀到 1/128 = 2 lsb，这可能是不可接受的。 

图 3减少的 RC 导致更快的 30Tpwm 建立，但纹波增加了一倍。

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，如图4所示。

图 4半正弦纹波与 PWM 信号异相约180度。

无源滤波器的每个 RC 级，除了衰减纹波外，还将其相移约 -90 o。这导致终纹波信号被延迟半个周期，因此相对于原始 PWM 反转，这使得简单的被动求和等同于减法。相应的电路如图 5所示。

图 5不用反相器通过模拟减法消除纹波的电路。

R3 R4 分压器将一个 1 lsb 振幅 PWM 分量相加，将净输出纹波分量从 2 lsb 减少到 1 lsb 约 50%，与图 1 实现的衰减相同。生成的输出信号——具有与 30Tpwm 相同的稳定时间图 4—如图 6所示。

图 6被动 PWM 减法后的净纹波和稳定。

尽管本文的主题是在没有有源逆变器的情况下减少纹波，但仍然很想将这些结果与替代方案（如图 7和图 8所示）进行比较。在不影响 1 lsb Vrpp 的情况下，其 ~25Tpm 稳定速度是图 1 原始双 RC 41Tpm 速度的两倍。

图 7带有源逆变器的纹波滤波器电路。


图 8使用有源逆变器消除纹波。