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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流有源滤波器的设计.精品文档.有源滤波器的设计一设计方法有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： ， n=1，2，3，. . . （1）写成： （2） 其中Auo为通带内的电压放大倍数，wC Auo为截止角频率，n称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当w=0时，（2）式有最大值1； 0.707Auow=wC时，（2）式等于0.707，即Au衰减了 n=23dB；n取得越大，随着w的增加，滤波器 n=8的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性 越接近于理想特性。如图1所示。 0 wC w
2、当 wwC时， （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线 两边取对数，得： （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n为1 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 表1 归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式n归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式12345678 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，SL = ，wC 是低通滤波器的截止频率。对于一阶低通滤波器，其传递函数： （5） 归一化的传递函数： （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数： （7） 归一化后的传递函数： （8） 由
3、表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：1 根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。2 选择具体的电路形式。3 根据电路的传递函数和表1归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。4 解方程组求出电路中元件的具体数值。5 安装电路并
4、进行调试，使电路的性能满足指标要求。 例1要求设计一个有源低通滤波器，指标为： 截止频率 fC=1kHz， 通带电压放大倍数：Auo=2， 在f = 10fc时，要求幅度衰减大于30dB 。设计步骤 1）由衰减估算式：-20ndB/+倍频，算出n = 2。 2）选择附录中图3电路作为低通滤波器的电路形式。 该电路的传递函数： （9） 其归一化函数： （10） 将上式分母与表1归一化传递函数的分母多项式比较得： 通带内的电压放大倍数： =2 （11） 滤波器的截止角频率：= （12） （13） （14）在上面四个式子中共有六个未知数，三个已知量，因此有许多元件组可满足给定特性的要求，这就需要先确
5、定某些元件的值，元件的取值有几种： 当Af=1时，先取R1=R2=R，然后再计算C1和C2。 当Af1时，取R1=R2=R，C1=C2=C。 先取C1=C2=C，然后再计算R1和R2。此时C必须满足： 先取C1，接着按比例算出C2=KC1，然后再算出R1和R2的值。 其中K必须满足条件：KAf-1+对于本例，由于Af=2，因此先确定电容C1=C2的值，即取： ， 将C1=C2=C代入（12）和（13）式，可分别求得： 例2要求设计一个有源高通滤波器，指标要求为： 截止频率 fC=500Hz， 通带电压放大倍数为：Auo=1 R4 R5在f =0.1fC时，要求幅度衰减大于50dB。 设计步骤：
6、 ui C1 C2 A1 C3 A2 uo 1) 由衰减估算式：-20ndB/十倍频 算出n = 3。 R1 R2 R3 2) 选择附录中图5电路再加上一级 一阶高通滤波电路构成该高通滤波器。如图2所示： 图2 三阶压控电压源高通滤波器 该电路的传递函数： （15） 将上式归一化： （16）将上式分母与表1归一化传递函数的分母多项式比较得： 因为通带内的电压放大倍数为： 所以取： 第一级二阶高通滤波器的截止角频率： = （17） （18）第二级一阶高通滤波器的截止角频率：= （19） 上面三个式子中共有六个未知数，先确定其中三个元件的值， 取： 将C1=C2=C3=C代入（17）、（18）和（
7、19）式，可求得： 为了达到静态平衡，减小输入偏置电流及其漂移对电路的影响：取： 例3要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 通带中心频率处的电压放大倍数： 带宽： 设计步骤：1） 选用附录中图8电路。2） 该电路的传输函数： （20）品质因数： （21）通带的中心角频率： （22） 通带中心角频率处的电压放大倍数： （23） （24） 取，则： 例4要求设计一个有源二阶带阻滤波器，指标要求为： 通带中心频率： 通带电压放大倍数： 带宽： 设计步骤：1）选用附录中图9电路。 2）该电路的传递函数： （25）其中，通带的电压放大倍数： 阻带中心处的角频率为： （26） 品质因
8、数： （27） 阻带带宽： （28） （29） 取：， 则：附录 有源二阶滤波电路的形式与特点 常用的有源二阶滤波电路有压控电压源二阶滤波电路和无限增益多路负反馈二阶滤波电路。压控电压源二阶滤波电路的特点是：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。无限增益多路负反馈二阶滤波电路的特点是： 运算放大器为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。其优点是：输出电压与输入电压的相位相反，元件较少，但增益调节不方便。 （一）有源二阶低通滤波电路1 压控电压源二阶低通滤
9、波电路 电路如图3所示。其传输函数为： 其归一化的传输函数： 其中： ，为品质因数 通带内的电压放大倍数： 滤波器的截止角频率： 为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使： 将上述方程与 联立求解，可得： R3 R4 R2 C2ui R1 R2 A uo ui R1 R3 uo C1 C2 C1 图3 压控电压源二阶有源低通滤波器 图4 无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路2无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路 电路如图4所示，其传输函数为： 其归一化的传输函数： 其中： ，为品质因数。 通带内的电压放大倍数： 滤波器的截止角频率： （二）有源二阶高通滤波器 1压控电压源二阶高通滤波器 电路
10、如图5所示，其传输函数为： 归一化的传输函数： 其中： ，为品质因数。 通带增益： 截止角频率： R3 R4 C3 R2 ui C1 C2 uo ui C1 C2 uo R1 R2 R1 图5压控电压源二阶高通滤波器 图6 无限增益多路负反馈二阶高通滤波器2无限增益多路负反馈二阶高通滤波器电路如图6所示,该电路的传输函数为： 归一化的传输函数： 其中： ,通带增益： 截止角频率： （三）有源二阶带通滤波器 1压控电压源二阶带通滤波器电路如图7所示，电路的传输函数为： 上式中： 是带通滤波器的中心角频率。、分别为带通滤波器 的高、低截止角频率。 中心角频率： 、 中心角频率处的电压放大倍数： 上
11、式中： 通带带宽： 或 R4 R5 C R3 ui R1 C A uo ui R1 C uo C R3 R2 R2 图 7 压控电压源二阶带通滤波器 图8 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器 2无限增益多路负反馈二阶带通滤波器 电路如图8所示，电路的传输函数： 上式中： 为带通滤波器的中心角频率。、分别为带通滤波器 的高、低截止角频率。 中心角频率： 通带中心角频率处的电压放大倍数： 品质因数： （四）有源二阶带阻滤波器的设计1压控电压源二阶带阻滤波器电路如图9所示。电路的传输函数： 其中，通带电压放大倍数： 阻带中心处的角频率： 品质因数： R1 R22.无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器 ui 2C 该电路由二阶带通滤波器和一个加法器 uo组成，如图10所示。电路的传输函数为： C C R3 图9 压控电压源二阶带阻滤波器 其中： 通带电压放大倍数：阻带中心角频率： 阻带带宽： R4 R6 C R3 ui R1 C R5 A1 A2 R2 图10 无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器