基于集成運(yùn)算放大器的有源濾波器分析與設(shè)計(jì)課件

模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)孫肖子《模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)》課程的特點(diǎn)是“概念性、工程性、實(shí)踐性“強(qiáng)！

“注重物理概念，采用工程觀點(diǎn)；重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)，善于總結(jié)對(duì)比；理論聯(lián)系實(shí)際，注意應(yīng)用背景；尋求內(nèi)在規(guī)律，增強(qiáng)抽象能力?！?.1濾波器的概念濾波器是一種實(shí)現(xiàn)頻率選擇的信號(hào)處理電路。按其幅頻特性可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種電路。

濾波電路的模型

電壓傳遞函數(shù)6.1.1濾波器的特性五種常用濾波器特性(a)低通濾波器(b)高通濾波器(c)帶通濾波器(d)帶阻濾波器(e)全通濾波器6.1.2理想濾波器的逼近方法理想濾波器的幅頻特性曲線在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的，一可取的可實(shí)現(xiàn)方法是采用物理可實(shí)現(xiàn)函數(shù)來逼近這個(gè)傳輸特性，常用的逼近理想特性的可實(shí)現(xiàn)函數(shù)最平幅度濾波器（Butterworth濾波器），通帶等波紋濾波器（Chebyshev濾波器），阻帶等波紋濾波器（InverseChebyshev濾波器），通、阻帶等波紋濾波器（橢圓函數(shù)濾波器）線性相位濾波器（又稱Bessel濾波器）波器的傳輸函數(shù)和…………系數(shù)決定了濾波器的類型巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是一種最平低通響應(yīng)濾波器。其特點(diǎn)是幅頻響應(yīng)在通帶內(nèi)具有最平坦的幅度，由通帶到阻帶衰減陡度較緩，相頻特性具有非線性的特點(diǎn)。切比雪夫?yàn)V波器是在通帶內(nèi)具有等紋波響應(yīng)特性的濾波器2.切比雪夫?yàn)V波器4.貝塞爾濾波器貝塞爾濾波器是群延遲具有最大平坦（線性相位響應(yīng)）特性的濾波器,巴特沃思濾波器的幅頻特性與相頻特性都比較均衡，在實(shí)際中應(yīng)用最廣。切比雪夫?yàn)V波器的相位響應(yīng)較差。因此當(dāng)主要著眼于傳輸對(duì)各頻率分量的相對(duì)幅度要求較高而對(duì)它們的相位關(guān)系要求不嚴(yán)的信號(hào)（例如聲音信號(hào)）時(shí)，可選用切比雪夫?yàn)V波器。若所傳輸?shù)氖菆D象，情況將完全相反。這時(shí)要求有線性的相頻特性而對(duì)幅度的某些變化則不作苛求。為此，應(yīng)選擇以逼近相頻特性為側(cè)重點(diǎn)的貝塞爾近似函數(shù)。6.1.3二階濾波器的傳遞函數(shù)：

傳輸函數(shù)的分子、分母都是s的二次多項(xiàng)式的濾波器叫雙二次濾波器。其傳輸函數(shù)可表示為1.二階低通濾波器

3.二階帶通濾波器傳輸函數(shù)

4.二階帶阻濾波器：

傳輸函數(shù)為

5、二階全通濾波器二階全通濾波器的傳輸函數(shù)

帶虛線所示負(fù)載時(shí)通帶的電壓放大倍數(shù)為截止頻率6.2.2一階有源低通濾波器

通帶增益上限頻率{1）圖（a）2）圖（b）幅頻特性相頻特性解得選取電阻和電容來代替中相應(yīng)的導(dǎo)納可構(gòu)成低通、高通、帶通等二階有源濾波電路列方程、二階有源低通濾波電路設(shè)構(gòu)成右圖所示的二階有源低通濾波器

傳遞函數(shù)式中；（1）Q值的大小對(duì)幅頻特性在附近的影響較大（2）當(dāng)Q=0.578時(shí)，稱為Bessel濾波器，低通特性單調(diào)下降且通帶較窄（3）當(dāng)時(shí)，幅頻特性曲線最平坦（Butterworth）（4）當(dāng)Q=0.943時(shí)，稱為Chebyshev濾波器，（5）當(dāng)時(shí)，電路將產(chǎn)生自激振蕩。后，特性曲線將出現(xiàn)峰值，Q值越大，峰值越高（6）當(dāng)二、二階有源高通濾波電路設(shè)則得到Sallen-Key二階有源高通濾波器三、二階Sallen-Key帶通濾波器設(shè)得到二階有源帶通濾波電路其傳輸函數(shù)為整理得穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)6.3.2二階無限增益多路反饋(MFB)濾波器的電路實(shí)現(xiàn)及工程設(shè)計(jì)列出節(jié)點(diǎn)方程

得

適當(dāng)?shù)倪x擇可構(gòu)成低通、高通、帶通和帶阻濾波器

1.低通設(shè)就構(gòu)成了二階低通濾波器傳輸函數(shù)通帶增益中心頻率式中：等效品質(zhì)因數(shù)，，2.高通設(shè)就構(gòu)成二階多路負(fù)反饋高波濾波器傳輸函數(shù)通帶增益中心頻率等效品質(zhì)因數(shù)3.帶通將就構(gòu)成二階多路負(fù)反饋帶通濾波器傳輸函數(shù)通帶增益中心頻率等效品質(zhì)因數(shù)6.3.3二階帶阻濾波器的電路實(shí)現(xiàn)及工程設(shè)計(jì)1.雙T網(wǎng)絡(luò)有源帶阻濾波器

無源雙T型電路等效電路（1）無源RC雙T網(wǎng)絡(luò)的頻率特性雙T網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)式中幅頻特性相頻特性

相頻特性幅頻特性

（2）有源雙T帶阻濾波器傳遞函數(shù)式中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：帶寬雙T有源帶阻濾波器幅頻特性2.用帶通和相加器組成帶阻濾波器用帶通和相加器組成帶阻濾波器的框圖6．4多功能有源RC濾波器（狀態(tài)變量濾波器）的工作原理與工程設(shè)計(jì)6.4.1多功能有源RC濾波器（狀態(tài)變量濾波器）的工作原理二階狀態(tài)變量型有源濾波電路方框圖二階狀態(tài)變量型有源濾波電路的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)由圖得：二階狀態(tài)變量型有源濾波器式中衰減系數(shù)6.4.2集成多功能有源RC濾波器UFA42

UAF42集成有源濾波器是精密運(yùn)算放大器、精密電阻和精密電容集成在一起的濾波器件可以實(shí)現(xiàn)高通(HP)、低通(LP)、帶通(BP)和帶阻(BR)濾波器主要性能特點(diǎn)如下：具有高通、低通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)功能；有源濾波器的構(gòu)成僅需要外加幾只電阻；共模抑制比：典型值為96dB；開環(huán)增益；典型值為126dB，工作電源：±6V～±18V，電流為±6mA；輸入電壓：典型值為±11.5V；最大負(fù)載電流：典型值為±25mA；中心頻率為0～100kHz。片內(nèi)電容為1000pF±5%，UAF42AP同相輸入原理框圖UAF42AP反相輸入原理框圖FILTER42軟件可在網(wǎng)址免費(fèi)下載6．5一階全通濾波器（移相器）的原理與工程設(shè)計(jì)方法1、一階移相濾波器(1)

頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性相頻特性式中2、一階移相濾波器(2)頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性相頻特性，

式中）

全通濾波電路相頻特性（附加相移）6．6開關(guān)電容濾波器基本原理開關(guān)電容濾波器的主要特點(diǎn)是用開關(guān)和電容來代替電路中的電阻。其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、無需更換元件，只需改變時(shí)鐘頻率和編程引腳電平就可以在一定的范圍內(nèi)改變?yōu)V波器的中心頻率和Q值，6.6.1基本開關(guān)電容單元及等效電路開關(guān)電容等效電路時(shí)鐘脈沖波形等效電阻

MOS管和起開關(guān)作用，和分別由時(shí)鐘脈沖和來控制的，兩相時(shí)鐘脈沖和互補(bǔ)。從左到右傳輸?shù)目傠姾蔀楫?dāng)時(shí)鐘信號(hào)Φ為高電平時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，電容C與1-1’端接通，充電電荷為當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)高電平時(shí)，T2管導(dǎo)通，T1管截止，電容C與2-2’接通，C放電，放電電荷等效電流等效電阻R越大，C值越小，所占集成電路面積將大大減小。(2)R越大，時(shí)鐘頻率fc越低。但fc應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)的最高頻率。(3)R與時(shí)鐘脈沖占空比大小無關(guān)，為了使和開關(guān)不同時(shí)閉合，時(shí)鐘脈沖不應(yīng)重疊，占空比應(yīng)略低于50%。特點(diǎn)：6.6.2開關(guān)電容積分器

為反相積分器，其傳遞函數(shù)表示為圖(a)穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)用開關(guān)電容代替電阻構(gòu)成的開關(guān)電容積分器如圖（b）反相開關(guān)電容積分器同相開關(guān)電容積分器

開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)有以下特點(diǎn)：（1）開關(guān)電容積分器的積分時(shí)常數(shù)只取決于“電容比”，與單個(gè)電容值無關(guān)，

（