常見運放濾波電路

1、濾波電路這節(jié)非常深入地介紹了用運放組成的有源濾波器。在很多情況中，為了阻擋由于虛地引起的直流電平，在運放的輸入端用入了電容。這個電容實際上是一個高通濾波器，在某種意義上說，像這樣的單電源運放電路都有這樣的電容。設(shè)計者必須確定這個電容的容量必須要比電路中的其他電容器的容量大100倍以上。這樣才可以保證電路的幅頻特性不會受到這個輸入電容的影響。如果這個濾波器同時還有放大作用，這個電容的容量最好是電路中其他電容容量的1000倍以上。如果輸入的信號早就包含了VCC/2的直流偏置，這個電容就可以省略。這些電路的輸出都包含了VCC/2的直流偏置，如果電路是最后一級，那么就必須用入輸出電容。這里有一個有關(guān)濾

2、波器設(shè)計的協(xié)定，這里的濾波器均采用單電源供電的運放組成。濾波器的實現(xiàn)很簡單，但是以下幾點設(shè)計者必須注意：1.濾波器的拐點(中心)頻率2.濾波器電路的增益3 .帶通濾波器和帶阻濾波器的的Q值4 .低通和高通濾波器的類型(Butterworth、Chebyshev、Bessell)不幸的是要得到一個完全理想的濾波器是無法用一個運放組成的。即使可能，由于各個元件之間的負雜互感而導致設(shè)計者要用非常復雜的計算才能完成濾波器的設(shè)計。通常對波形的控制要求越復雜就意味者需要更多的運放，這將根據(jù)設(shè)計者可以接受的最大畸變來決定?；蛘呖梢酝ㄟ^幾次實驗而最終確定下來。如果設(shè)計者希望用最少的元件來實現(xiàn)濾波器，那么就別無

3、選擇，只能使用傳統(tǒng)的濾波器，通過計算就可以得到了。3. 1一階濾波器一階濾波器是最簡單的電路，他們有20dB每倍頻的幅頻特性4. 1.1低通濾波器典型的低通濾波器如圖十三所示。5INVERTINGFo= 1/(2pR2C1|Goin = - R2/R1V*n o；vtmt*Vcc oVin iNONINVERTINGFo=V(2pRlCl)Gain=1+R3ZR2圖十三圖十三3.1.2高通濾波器典型的高通濾波器如圖十四所示Ct|-1vin-p-一*NONINVERTINGRIGain*1Fo=1;(2pR1C1)oVB2*VCCcCl1VoutNONINVERTINGFo=1;(2pR1C1)

4、Gciin1+R3/R2圖十四圖十四3.1.3文氏濾波器文氏濾波器對所有的頻率都有相同的增益，但是它可以改變信號的相角，同時也用來做相角修正電路。圖十五中的電路對頻率是F的信號有90度的相移，對直流的相移是0度，對高頻的相移是180度。3.2二階濾波器二階濾波電路一般用他們的發(fā)明者命名。他們中的少數(shù)幾個至今還在使用。有一些二階濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)可以組成低通、高通、帶通、帶阻濾波器，有些則不行。這里沒有列出所有的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，只是將那些容易實現(xiàn)和便于調(diào)整的列了出來。圖十五（見圖十七上）二階濾波器有40dB每倍頻的幅頻特性。通常的同一個拓撲結(jié)構(gòu)組成的帶通和帶阻濾波器使用相同的元件來調(diào)整他們的Q值，

5、而且他們使濾波器在Butterworth和Chebyshev濾波器之間變化。必須要知道只有Butterworth濾波器可以準確的計算出拐點頻率，Chebyshev和Bessell濾波器只能在Butterworth濾波器的基礎(chǔ)上做一些微調(diào)。我們通常用的帶通和帶阻濾波器有非常高的Q值。如果需要實現(xiàn)一個很寬的帶通或者帶阻濾波器就需要用高通濾波器和低通濾波器串連起來。對于帶通濾波器的通過特性將是這兩個濾波器的交疊部分，對于帶阻濾波器的通過特性將是這兩個濾波器的不重疊部分。這里沒有介紹反相Chebyshev和Elliptic濾波器，因為他們已經(jīng)不屬于電路集需要介紹的范圍了。不是所有的濾波器都可以產(chǎn)生我們

6、所設(shè)想的結(jié)果比如說濾波器在阻帶的最后衰減幅度在多反饋濾波器中的會比在SallenKey濾波器中的大。由于這些特性超出了電路圖集的介紹范圍，請大家到教科書上去尋找每種電路各自的優(yōu)缺點。不過這里介紹的電路在不是很特殊的情況下使用，其結(jié)果都是可以接受的。321SallenKey濾波器Sallen-Key濾波器是一種流行的、廣泛應(yīng)用的二階濾波器。他的成本很低，僅需要一個運放和四個無源器件組成。但是換成Butterworth或Chebyshev濾波器就不可能這么容易的調(diào)整了。請設(shè)計者參看參考條目【1】和參考條目【2】，那里介紹了各種拓撲的細節(jié)。這個電路是一個單位增益的電路，改變SallenKey濾波器的

7、增益同時就改變了濾波器的幅頻特性和類型。實際上SallenKey濾波器就是增益為1的Butterworth濾波器。圖十六（見圖十七中）322多反饋濾波器多反饋濾波器是一種通用，低成本以及容易實現(xiàn)的濾波器。不幸的是，設(shè)計時的計算有些復雜，在這里不作深入的介紹。請參看參考條目【1】中的對多反饋濾波器的細節(jié)介紹。如果需要的是一個單位增益的Butterworth濾波器，那么這里的電路就可以給出一個近似的結(jié)果。LOWPASSUmlyGun日utttMFo-V(2nRQRI-R2bR.2R)=R(2v2|C1CC24CHIGHPASSUitiiyGlimD(irwcnhFan叫2次C1R1=047RR22

8、Cl-C2C3-CBANDPASSGnlfi23dDFoirpJlicRC)R110RR2=OOQ1RR3-1WRGIOCCnC圖十七3.2.3雙T濾波器雙T濾波器既可以用一個運放也可儀用兩個運放實現(xiàn)。他是建立在三個電阻和三個電容組成的無源網(wǎng)絡(luò)上的。這六個元件的匹配是臨界的，但幸運的是這仍是一個常容易的過程，這個網(wǎng)絡(luò)可以用同一值的電阻和同一值的電容組成。用圖中的公式就可以同時的將R3和C3計算出來。應(yīng)該盡量選用同一批的元件，他們有非常相近的特性。3.2.3.1單運放實現(xiàn)圖十八如果用參數(shù)非常接近的元件組成帶通濾波器，就很容易發(fā)生振蕩。接到虛地的電阻最好在E961%系列中選擇，這樣就可以破壞振蕩條

9、件。AYEE*圖十九BAJMDPASSR1=R；=RCtaC2CChR3.哂eaC3-2Cfa=32p口。Gam亡口n小ledbyR*andR5R4100*RSOhjrdtocoMiMm*drnJ*mtcMdRp，XOf/AKo3ffKtq，Nc圖十八NOTCHCl=C2=CC3=2CR1sR2=Rvso-R3=Ft?Fo=t(2pRC)R4=R5；HGHTheonlycontrolovrQlibymlMiMtchlngR3*TWC/1口一.Cl2Cl*wcY117圖十九3.2.3.2雙運放實現(xiàn)典型的雙運放如圖20到圖22所示LOWPASSRIR2=RCl=C2=CR3=R2C3=2CFDh(

10、2RC)入uUrdyGnR4ft5；2ChrthR4R12R=R7.MGHv0A圖二十WtQ*Vi416RtMlWc/l干,“ClHIGHPASSRI=R2=RCl7CZ?CR3=W2C3-2CFo=1降RCUnGAlnR4(2pRCRC-=R72D*AQConffdluElbyratioorR53柳R4IM=00S*R5hkjhQR4sO.5ft5kn*:Q1圖二十二：VG書麗MMat2R1=RJv2Buflerworth圖二十三圖二十三VcCJ?u VoutHIGH PASSR2 = R3 - RCl = C2 = CR4 = f?5h not criticalFo =加 2pRC|Goi

11、n fixud at 2R1 = R%2 ButtorwodhRI *2 Chflby*hv RI R.2Ch?byshevR1I仃GR1Vin n - T 中BAND PASSGaM fixod at 26 士R1 controls Qlaw RI 土 lowQhkgh R1 = high QR1 should bo R. 5R2 = R3 = RCl - C2 s CR4 - R5 n圖二十五* CVW，R2| *vec s ,. I JR4a八3.2.5AkerbergMossberg濾波器圖二十七圖三十中的三運放濾波器是很容易實現(xiàn)。對于低通和高通濾波器可以很方便的調(diào)整增益，對于帶通和帶

12、阻濾波器可以非常容易的調(diào)整Q值帶阻濾波器的性能會比雙T濾波器差一些，但是也不錯。LOWPASSRT=R3=R4=R5=RCl=C2hc%二1，；pRC)unity&atnft=RiOtrwrSin:IRjfttCiI一IVMMA3、2BufltrwwitiRGR.2OwbytlwvAGg圖二十七HIGHPASSR?=R3=R4=R5=f?Ci=ciiCFc=1(2pRCjR6=Rr.2BunorworltiRGRCtwbyUwvR$7B，xEUnityGahrt:C1-C.RUROtherQikn.Rl.RA*iDCiC圖二十八圖二十八圖二十七V-3H0O-L-CtVCCQ*iflB-l&-|

13、4JbandpassR2=R3s=R5sRClCFo=L2pRC)UnityGain:RI=ROih*rG0tn-R&RID=：L 1C41 IVQERt.R6aKocontrolQkwvalues.IcwGhbghvatufri,MghQ圖二十九圖二十九3.2.6BiQuadBiquad濾波器是一種出名的濾波器結(jié)構(gòu)（圖三十一）。他只能組成低通和帶通濾波器。低通濾波器可以根據(jù)需要做成同相和反相輸出。LOW PASSR1 =R2 = RR5 M R6h not criticalR4 = R/ Riv2 ChebyshevR4 * R-2BestlUnrty Gain: R3 = ROlhet G

14、am: - RH3圖三十一BANDPASSRI=R2=RS=RR6=boutRA2,notcriticalC1=C2sCFo=1/(ZpRC)R3=R4unitygarGain=-R4而R43hcotinol$QlowV*ki,lowQhighv.Vu蛻h電hQ3.2.7SateVariableSateVariable是一種三運放或四運放的拓撲結(jié)構(gòu)。第四個運放在帶阻濾波器中必須使用。他也是一種非常便于調(diào)整的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，并且他可以很方便的在低通和高通濾波器之間相互轉(zhuǎn)換，另外對于帶通和帶阻濾波器的Q值Vflt JktM.1 I-明產(chǎn)夜Ifg R l 型 ft 1 C2Hi Jilt Cl圖三十

15、二BP 皿 NOfCHriujh - t I，jin U7 g，!(0I a W Iffl*R7 R J EwRieiXGH!T * H/b.f- (rr r，也可以非常方便的進行調(diào)整。但是不幸的是，AkerbergMossberg并不是一種令人喜歡的拓撲結(jié)構(gòu)。因為調(diào)整增益、類型、Q值和限制的電阻是同一個電阻。這就是很多人不愿意用它的原因，除非在應(yīng)用中同時需要高通、低通、帶通和帶阻濾波器。阻容RC濾波電路阻容濾波電路原理與特點及RC元件選擇阻容濾波電路圖如下：阻容濾波電路優(yōu)點1 .濾波效能較高2 .能兼降壓限流作用阻容濾波電路缺點：1 .帶負載能力差2 .有直流電壓損失阻容濾波電路適用場合：負

16、載電阻較大，電流較小及要求紋波系數(shù)很小的情況阻容濾波電路參數(shù)選擇：全波整流RC2=(2.3X106)/rRLR一般取數(shù)十至數(shù)百WC(mF)何謂退耦？所謂退耦，既防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。退耦濾波電容的取值通常為47200於，退耦壓差越大時，電容的取值應(yīng)越大。所謂退耦壓差指前后電路網(wǎng)絡(luò)工作電壓之差。如下圖為典型的RC退耦電路，R起到降壓作用：大家看到圖中，在一個大容量的電解電容C1旁邊又并聯(lián)了一個容量很小的無極性電容C2原因很簡單，因為在高頻情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無論

17、在介質(zhì)損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別(由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當工作頻高于諧振頻率時，電解電容相當于一個電感線圈，不再起電容作用)。在不少典型電路，如電源退耦電路，自動增益控制電路及各種誤差控制電路中，均采用了大容量電解電容旁邊并聯(lián)一只小電容的電路結(jié)構(gòu)，這樣大容量電解電容肩負著低頻交變信號的退耦，濾波，平滑之作用；而小容量電容則以自身固有之優(yōu)勢，消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中，高頻寄生耦合。在這些電路中的這一大一小的電容均稱之為退耦電容。還有些電路存在一些設(shè)置直流工作點的電阻，為消除其對于交流信號的耦合或反饋作用就需要在其上并聯(lián)適當?shù)碾娙輥頊p少對交流信號的阻抗。這些電容均起到退耦作用稱之為退耦電容。在放大倍數(shù)較高的電路中