第五講-有源濾波電路

第五講

有源濾波電路李鵬斐機(jī)電學(xué)院第五講有源濾波電路無源濾波電路有源濾波電路濾波電路僅由無源元件組成濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件組成2濾波器的概念及分類低通濾波器常用幾種類型濾波器有源高通濾波器有源帶通濾波器有源帶阻濾波器內(nèi)容提要3狀態(tài)變量型有源濾波器開關(guān)電容濾波器濾波器設(shè)計(jì)方法簡介內(nèi)容提要4對信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波器它的功能是：使特定的頻率范圍內(nèi)的信號通過；并且阻止其它頻率信號通過。5.1

濾波器的概念及分類一、濾波器的概念5二、濾波器的分類根據(jù)頻響特性分類低通濾波器LPF（Low-PassFilter）高通濾波器HPF（High-PassFilter）理想低通高通濾波器幅頻特性6帶通濾波器BPF（Band-PassFilter）帶阻濾波器BEF（Band-EliminationFilter）理想帶通帶阻濾波器幅頻特性7全通濾波器APF(All-PassFilter)<也稱延時(shí)濾波器。延時(shí)均衡器和寬帶90°相移網(wǎng)絡(luò)都是全通濾波器的例子。89根據(jù)數(shù)學(xué)模型分類IIR（無限沖激響應(yīng)）濾波器FIR（有限沖激響應(yīng)）濾波器10IIR（無限沖激響應(yīng)）濾波器Butterworth濾波器Chebyshev濾波器Chebyshev(Ⅱ)濾波器Bessel濾波器Elliptic濾波器11三、實(shí)際濾波器的幅頻特性通帶和阻帶之間存在過渡帶圖4.1.3實(shí)際低通濾波器幅頻特性Aupfp125.2

低通濾波器134.2.1無源低通濾波器電壓放大倍數(shù)RC低通濾波器通帶放大倍數(shù)14令當(dāng)RC低通濾波器幅頻特性15電路帶上負(fù)載RC低通濾波器帶負(fù)載16RC低通濾波器幅頻特性通帶放大倍數(shù)減小通帶截至頻率升高17無源濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截至頻率都隨負(fù)載而變化，不符合實(shí)際使用要求。185.2.2有源低通濾波器為了使負(fù)載不影響濾波特性，在無源濾波電路和負(fù)載之間加一個(gè)高輸入阻抗低輸出阻抗的電壓跟隨電路，組成有源濾波電路。有源濾波電路19一階低通濾波電路一、一階低通濾波電路通帶放大倍數(shù)20令特征頻率f0一階低通濾波電路的幅頻特性21一階低通濾波仿真電路二、一階低通濾波電路實(shí)例分析22一階低通濾波電路仿真結(jié)果23一階低通濾波電路交流分析設(shè)置24一階低通濾波電路的交流分析結(jié)果25三、二階低通濾波電路二階低通濾波電路26二階低通濾波電路的幅頻特性27四、壓控電壓源低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系及集成運(yùn)放特性Aup小于3，電路穩(wěn)定工作28令時(shí)29壓控電壓源二階低通濾波電路的幅頻特性品質(zhì)因數(shù)Q的物理意義：時(shí)電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)之比當(dāng)30五、二階低通濾波電路實(shí)例分析壓控電壓源二階低通濾波仿真電路31壓控電壓源二階低通濾波電路仿真結(jié)果32壓控電壓源二階低通濾波電路交流分析結(jié)果33一、常用低通濾波器特性

三種類型二階低通濾波電路的幅頻特性ButterworthChebyshevBessel5.3

常用幾種類型濾波器34二、常用濾波器的數(shù)學(xué)模型常用的濾波器Butterworth濾波器Chebyshev濾波器Bessel濾波器這些濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式由Butterworth、

Chebyshev和Bessel多項(xiàng)式表示。351.Butterworth多項(xiàng)式n12345362.Chebyshev多項(xiàng)式n12345紋波37n12345紋波383.Bessel多項(xiàng)式n1234539三、常用濾波器的應(yīng)用特點(diǎn)Butterworth濾波器Chebyshev濾波器Bessel濾波器－－最大平坦幅度特性提供平滑響應(yīng)，幅頻特性單調(diào)遞減，過渡帶較緩－－等紋波特性通帶等紋波動(dòng)，阻帶單調(diào)遞減，過渡特性陡峭－－線性相位特性通帶相頻特性接近于線性405.4有源高通濾波器高通濾波電路與低通濾波電路有對偶性將低通濾波電路中濾波環(huán)節(jié)的電容和電阻相互替換就可得到高通濾波電路。4142實(shí)例分析壓控電壓源二階高通濾波仿真電路43壓控電壓源二階高通濾波電路仿真結(jié)果44壓控電壓源二階高通濾波電路交流分析結(jié)果455.5有源帶通濾波器將高通濾波器與低通濾波器串連，就可得到帶通濾波器。帶通濾波電路組成示意圖高通濾波器截至頻率低通濾波器截至頻率通頻帶：46壓控電壓源二階帶通濾波電路實(shí)用電路中采用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路。47中心頻率48放大倍數(shù)49分母模為50通頻帶解方程51Q值越大頻帶越窄調(diào)整電路Aup改變頻帶寬度選頻特性越好通帶放大倍數(shù)越大壓控電壓源二階帶通濾波電路幅頻特性52實(shí)例分析帶通濾波仿真電路53帶通濾波電路仿真結(jié)果54帶通濾波電路交流分析555.6有源帶阻濾波器帶阻濾波器方框圖將輸入電壓同時(shí)作用于高通濾波器和低通濾波器，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，就可得到帶阻濾波器。阻帶：56實(shí)用電路利用無源LPF和HPF并聯(lián)構(gòu)成帶阻濾波電路，然后接同相比例運(yùn)算電路，從而得到有源帶阻濾波電路。有源帶阻濾波器雙T網(wǎng)絡(luò)57常用有源帶阻濾波器常用有源帶阻濾波器58中心頻率59阻帶寬度解方程60常用有源帶阻濾波器幅頻特性Q值越大選頻特性越好61實(shí)例分析帶阻濾波器仿真電路62帶阻濾波器仿真結(jié)果63帶阻濾波器交流分析結(jié)果645.7狀態(tài)變量型有源濾波器將比例、積分、求和等基本運(yùn)算電路組合在一起，并能夠?qū)λ鶚?gòu)成的運(yùn)算電路自由設(shè)置傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種濾波功能。65一、分析二階狀態(tài)變量型有源濾波電路的傳遞函數(shù)以二階為例66低通高通帶通帶阻回顧前面內(nèi)容：67一般形式低通高通帶通帶阻68前面分析的常用低通濾波器的特性同樣適合于其它類型的濾波器。根據(jù)低通、高通、帶通和帶阻濾波電路傳遞函數(shù)表達(dá)式，合理選擇系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)任意傳遞函數(shù)。69二、低通、高通、帶通和帶阻的轉(zhuǎn)換1.低通變高通變換為高通濾波器，截至頻率每個(gè)s用替代702.低通變帶通帶通濾波器低端截至頻率帶通濾波器高端截至頻率713.低通變帶阻帶阻濾波器低端截至頻率帶阻濾波器高端截至頻率72二階狀態(tài)變量型有源濾波電路方框圖三、二階狀態(tài)變量型有源濾波器73二階狀態(tài)變量型有源濾波電路方框圖74四、集成狀態(tài)變量型有源濾波器集成狀態(tài)變量型濾波電路由若干基本運(yùn)算電路組合而成，僅需外接幾個(gè)電阻，就可得到低通、高通、帶通和帶阻濾波電路。75AF100內(nèi)部電路集成電路AF100利用積分運(yùn)算電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)濾波功能。積分電路引入級間負(fù)反饋限制通帶放大倍數(shù)76AF100的典型接法之一AF100的典型接法四個(gè)集成運(yùn)放的輸出實(shí)現(xiàn)四種濾波功能。以集成運(yùn)放作為放大電路，以一種運(yùn)算電路作為其負(fù)反饋通路，實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算的逆運(yùn)算。77AF100的典型接法之一AF100的典型接法1.高通以作為輸出，其反饋回路為串接的兩個(gè)積分運(yùn)算電路（二階低通），實(shí)現(xiàn)二階高通濾波。78AF100的典型接法之一AF100的典型接法2.帶通以作為輸出，高通濾波的輸出又接低通濾波，實(shí)現(xiàn)二階帶通濾波。79AF100的典型接法之一AF100的典型接法3.低通以作為輸出，帶通濾波的輸出又接積分電路，所以實(shí)現(xiàn)低通濾波。80AF100的典型接法之一AF100的典型接法4.帶阻以作為輸出，高通濾波的輸出和低通濾波的輸出經(jīng)求和運(yùn)算，故實(shí)現(xiàn)帶阻濾波。815.8開關(guān)電容濾波器利用開關(guān)電容代替有源濾波器中的電阻，當(dāng)用MOS開關(guān)的通斷來轉(zhuǎn)移電容上的電荷時(shí)，其作用就像濾波器中的電阻，而其等效值正比于開關(guān)的動(dòng)作周期，結(jié)果構(gòu)成開關(guān)電容濾波器，由于所用電容值很小，可以和開關(guān)以及運(yùn)算放大器一起集成。82一、基本開關(guān)電容單元基本開關(guān)電容單元電路時(shí)鐘脈沖和互補(bǔ)分別控制和閉合閉合83等效電流開關(guān)周期時(shí)鐘脈沖頻率足夠高，可以認(rèn)為一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)兩端口電壓基本不變，84開關(guān)電容低通濾波電路二、開關(guān)電容濾波電路電路正常工作條件開關(guān)電容時(shí)鐘脈沖的頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓的頻率。85時(shí)鐘脈沖頻率相當(dāng)穩(wěn)定集成電路的制作可以獲得準(zhǔn)確的電容比開關(guān)電容電路容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的時(shí)間常數(shù)，從而使濾波器的截止頻率穩(wěn)定。86實(shí)際開關(guān)電容低通濾波電路875.9濾波器設(shè)計(jì)方法簡介一、利用運(yùn)放設(shè)計(jì)有源濾波器

利用通用運(yùn)放和阻容元件可以實(shí)現(xiàn)各種類型的有源濾波器。88常用低通濾波器特性三種類型二階低通濾波電路的幅頻特性ButterworthChebyshevBessel常用幾種類型濾波器89（1）根據(jù)濾波器指標(biāo)體系，求解濾波器傳函類型、階次、截止頻率，并校核濾波器各方面特性，是否能滿足實(shí)際使用要求。有源濾波器設(shè)計(jì)可以分兩步完成：（2）選擇一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并計(jì)算元器件值。90FliterWizPro界面91低通濾波器，-0.5dB@1kHz；-30dB@2kHz。實(shí)例分析低通濾波器指標(biāo)92（1）FilterWizPro來自可以使用“測電容，調(diào)電阻”法。（2）FilterSolution

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（不能使用“測電容，調(diào)電阻”法）。這類濾波器設(shè)計(jì)軟件有：93（1）采用這種方式實(shí)現(xiàn)有源濾波器，階次很難超過6階。6階濾波器要求阻容元件誤差小于1％；（2）此種濾波器