濾波器設(shè)計基礎(chǔ)很全的資料.ppt

1、一、濾波器基本概念,1、濾波器概念 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。,2、濾波器的分類 按處理信號形式分：模擬濾波器 數(shù)字濾波器 按功能分：低通、高通、帶通、帶阻 按電路組成分：LC無源、 RC無源、 由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、 RC有源濾波器 按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階,3、濾波器特性的逼近函數(shù)分類,巴特沃斯(Bueeerwoth)濾波器: 幅頻特性有最大平坦響應(yīng),切比雪夫(Chebyshev)濾波器: 通帶呈等起伏變化,橢圓(Elliptic)濾波器: 通帶和阻帶呈等起伏變化,還有：Bessel、Linear Phas

2、e、.,4、模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性,（1）模擬濾波器的傳遞函數(shù),模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。,經(jīng)分析，任意個互相隔離的線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積。 這樣，任何復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成。,（2）模擬濾波器的頻率特性,模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為w的單位信號，濾波器的輸出Uo(jw)=H(jw)表達了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性。,頻率特性H(jw)

3、是一個復(fù)函數(shù)， 幅值A(chǔ)(w)稱為幅頻特性， 幅角(w)表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化，稱為相頻特性。,特征頻率： 通帶截頻fp=wp/(2)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。 阻帶截頻fr=wr/(2)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。 轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。 固有頻率f0=w0/(2)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。,（3）濾波器的主要特性指標,增益與衰耗: 濾波器在通帶內(nèi)的增益并

4、非常數(shù)。 低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益； 高通指w時的增益； 帶通指中心頻率處的增益。 帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。 通帶增益變化量Kp指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，如果Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。,阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù): 阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。 阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標，Q= w0/w。式中的w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬， w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。,靈敏度: 濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個元件參數(shù)值的變

5、化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy，定義為： Sxy=(dy/y)/(dx/x) 該靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。,二、 RC有源濾波電路,1、一階低通濾波器,傳遞函數(shù)：,增 益：,上限截止頻率：,圖1一階LPF的幅頻特性曲線,2、二階低通濾波器,(1)壓控電壓源電路(VCVS),由于它是同相輸入，Ri大、Ro小，相當(dāng)于電壓源，故稱：VCVS,特點：性能穩(wěn)定，增益易調(diào)。,Avp=1+R4/R3,上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3，才能保障電路穩(wěn)定工作。,傳遞函數(shù):,通帶增益:,巴特沃斯響應(yīng)： Q = 0.707,由傳遞函數(shù)可

6、以寫出頻率響應(yīng)的表達式：,定義有源濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q 值為 時的電壓放大倍數(shù)的模與通帶增益之比,設(shè)計表：巴特沃斯響應(yīng)，電阻單位：k,說明：運放ri 10(R1+R2) 運放Aod 50Av at C 穩(wěn)定：Av 2,(2) 無限增益多路反饋電路(MFB),由于它是反相輸入，開環(huán)增益無限大，R2、C1二條反饋通路，故稱：MFB,特點：有倒相作用。 增益難調(diào)、對其它參數(shù)有影響。,Av=-R2/R1,巴特沃斯響應(yīng)： Q = 0.707,傳遞函數(shù):,通帶增益:,截止頻率:,設(shè)計表：,說明：運放ri 10(R3+R1/ R2),3、二階高通濾波器,(1) 二階高通壓控電壓源電路(VCVS),通帶增益:,

7、截止頻率:,說明：運放ri 10R2 運放Aod 50Av,設(shè)計表：,（2）二階高通無限增益多路反饋電路(MFB),4、巴特沃斯帶通濾波器,三、RC有源濾波器的快速設(shè)計,設(shè)計步驟： 1、確定電路類型，及截止頻率fc 。 2、根據(jù)截止頻率fc ，查圖確定電容的標稱值，使其滿足 K=100/(fc*C), K的取值范圍：1K10. 3、查表確定電容C1的值，及K1時對應(yīng)的電阻值。 4、將上列阻值乘以已計算出來的K值。 5、實驗調(diào)整，測量濾波器的性能參數(shù)及幅頻特性。,例：設(shè)計一個二階壓控電壓源低通濾波器。要求截止頻率位2KHz，通帶增益為2。,（1）確定電路類型，及截止頻率fc 。,（2）根據(jù)截止頻

8、率fc ，查圖確定電容的標稱值，使其滿足 K=100/(fc*C), K的 取值范圍：1K10.,（3）查表確定電容C1的值，及K1時對應(yīng)的電阻值。,取c1=0.01uf ， K1時的電阻，R1=1.126K, R2=2.25K, R3=6.752K R4=6.752K,取c=0.01uf ，算得 K5。,(4) 將上列阻值乘以已計算出來的K值。,(5) 實驗調(diào)整，測量濾波器的性能參數(shù)及幅頻特性。,四、濾波器設(shè)計注意事項,1、利用濾波器串聯(lián)的方式，可以實現(xiàn)高階濾波器。 例：一階二階低通三階低通,2、利用濾波器串聯(lián)的方式，可以實現(xiàn)帶通濾波器。 例：低通高通帶通（fH fL）,3、運放的選用：應(yīng)根據(jù)工作頻率范圍選擇合適的運放。在構(gòu)成較高頻率的有源濾波器時，不但應(yīng)選用增益帶寬積高的，且要注意選擇轉(zhuǎn)換速率SR高的運放。,4、電阻：應(yīng)選用溫度系數(shù)小的電阻，且精度高一些。電阻的取