射频滤波器电路的设计

射频滤波器电路的设计论文目录第一章绪论311课题背景及意义312国内外的相关研究与发展3第二章滤波器概述421滤波器的分类422射频滤波器的详述5第三章系统基本方案确定731硬件设计的主要内容732系统基本方案733高阶巴特沃斯滤波电路方案732系统设计流程图8第四章滤波器设计电路图10第五章射频滤波器各部分电路简介1251一阶低通通滤波电路简介1252二阶低通滤波电路简介1353二阶高通滤波电路简介1654运算放大器电路1755电路无源器件的计算和选取1856芯片的选取和简介18第六章射频滤波器各部分电路仿真2161仿真软件MULTISIM简介2162电路的仿真和数据的测量21第一章绪论11课题背景及意义从20世纪60年代至今，集成运放获得了迅速发展，同时射频滤波器迅猛发展，滤波器是一种只传输指定频段信号，滤波器顾名思义具有滤波作用，及抑制其他频段信号的电路。滤波器是选频装置，能让信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。本文所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器中带通原理、设计、仿真、以及主要参数。虽然数字滤波技术如今已得到了广泛应用，但是模拟滤波它在自动控制、自动检测以及电子测量仪器中仍然发挥着不可替代的作用。随着电力电子设备的发展和广泛应用，使全球各地的电网被谐波严重污染着，迫切需求治理。而有源滤波器正是解决这个问题的最佳选择利用有源滤波器电路可以衰减无用频率信号，突出有用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到选频或提高信噪比的目的，因此有源滤波器被很广泛应用于测量、通信以及控制技术的小信号处理。设计滤波器的主要目的就是理论结合实际，锻炼大学生将已学的知识综合应用，并提高学生的动手能力。设计有源射频滤波器，首先要了解无源高、低通滤波器的原理，然后连接运算放大器构成有源射频滤波器。由于集成运放的带宽是有限的，所以目前为止有源滤波电路的工作频率很难做得很高，同时难于对功率信号滤波，这是它的不足之处。12国内外的相关研究与发展20世纪80年代电子技术改造面临着一个重大课题就是实现各种电子系统的全面大规模集成。使用最多的滤波器成为很大很艰巨的技术障碍，RC有源滤波器不能实现全面大规模集成，机械滤波器和无源滤波器就更不用说了，所以，聪明的先人只能另辟新径来解决这一难题。20世纪50年代就曾经有人提出过一个SCF的概念，但由于当时集成工艺不成熟，并没有引起太多人的重视。1972年的时候，美国有一个叫FRIED的科学家，他发表了的文章中提到用电容C和开关模拟电阻R，说明了SCF的性能仅仅取决于电容之比，而与电容的绝对值无关，这样才使SCF引起众人的重视。在1979年的时候在一些发达国家中单片SCF就已经成为了商品（在当时还是属于高度保密技术之一）。在我国国内，1978年曾经有的导师和在校研究生也开始对这项研究工作的进行，而真正引起人们的重视是在1980年以后。在1983年，清华大学就已制成单片SCF，同时成都工程学院与工厂联合，也研制成功单片SCF。目前的关键是用MOS工艺技术实现的SCF及推广应用的问题，由于很多用户还不甚了解SCF，所以在我国SCF的应用还没有非常普及。SCF还有着许多课题有待我们去研究滤波器的发展被迫切需求着，在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。导致了RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器等各种滤波器的快速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到广泛应用。80年代，开始研究各类新型滤波器，致力于性能的提高和应用范围的扩大。90年代至现在主要研究各类滤波器在各类产品中的应用。当然，对滤波器本身的研究仍在继续。在我国，滤波器被广泛应用是在50年代后期，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的研制和开发，我国滤波器已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使我国许多新型滤波器的开发与国际发展有一定的距离。第二章滤波器概述21滤波器的分类I滤波器从组成上分为无源滤波器和有源滤波器两种I无源滤波器是由电感L、电阻R以及电容C等无源元件组成的电子电路。II有源滤波器一般由RC网络与集成运放构成，它具有性能稳定、体积小等优点，而且，由于集成运放的增益和输出阻抗很低，输入的阻抗都很高，故有源滤波器还兼具有放大和缓冲作用。由其和R、C组成的有源滤波电路，具有不体积小、用电少、重量轻等优点。除此之外，由于集成运放的开环增益和输入阻抗又低，输入阻抗均很高，构成有源滤波电路后还兼具有一定的缓冲作用和电压放大作用。II从功能上有源滤波器分为I低通滤波器（LPF）只能使某种频率以下的信号通过，而比它高的频率信号被除去的滤波器，称为低通滤波器。II高通滤波器HPF与低通滤波器的功能正好相反，即能够除去某频率以下的信号，允许高于它的频率成分通过的滤波器，称为高通滤波器。III射频滤波器BPF具有只允许某个频带（例如从2KHZ到26KHZ）的信号通过，其他高于它的频率成分皆被除去的功能的滤波器称为射频滤波器。IV带阻滤波器BEF只除去某个频带，而允许高于或者低于它的频率成分通过的滤波器称为带阻滤波器，也叫陷波滤波器。特别能够除去很窄的频带。V全通滤波器APF与前面所说的几种滤波器不同，全通滤波器具有平坦的频率响应，也就是说全通滤波器并不衰减任何频率的信号。全通滤波器虽然并不改变输入信号的频率特性，但它会改变输入信号的相位。利用这个特性，全通滤波器可以用做延时器、延迟均衡等。上述滤波器电路中前四种滤波器间相互有着联系。高通滤波器（HPF）与低通滤波器（LPF）之间是互为对偶的关系。当高通滤波器（HPF）的通带截止频率低于低通滤波器（LPF）的通带截止频率的时候，将低通滤波器（LPF）与高通滤波器（HPF）相互串联，就构成了射频滤波器（BPF），而低通滤波器（LPF）与高通滤波器（HPF）并联，就构成了带阻滤波器（BEF）。在实际应用电子电路中有时还可能同时选用多种不同型式的滤波器电路。滤波电路主要性能指标有通带电通带截止频率、电压放大倍数以及阻尼系数等。III按阶次分类阶次是表征滤波器的基本性质的术语之一。就是说有一阶型、二阶型、三阶型滤波器，甚至是高阶滤波器。其中最基本的是一阶型和二阶型。至于三阶型，是由一阶和二阶组合构成的。IV正相（非反转）型与反转型由于运算放大器使用方法的不同，通过的信号的相位有非反转和反转两种方式。22射频滤波器的详述射频滤波器（BPF）是一种允许特定需求频段的波通过并同时屏蔽掉其他频段波的电子设备。如高通滤波器低通滤波器可组成射频滤波器。它大体分为模拟射频滤波器和数字射频滤波器。模拟射频滤波器一般是用电路元件如电阻、电容、电感来构成我们所需要的频率特性电路。模拟射频滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟射频滤波器的时候就可以把基波信号提取出来。一个理想的射频滤波器（BDF）应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内衰减或者没有增益，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，除此之外，要求通带外的转换在极小的频率范围完成。射频滤波器还有另一种定义射频滤波器（BDF）具有单一的传输频带（或具有较小的相对衰减的通带）的滤波器，它从大于零的下限频率（FL）延伸到有限的上限频率FH。但是实际应用中，不能达到的理想射频滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度DB来表示。通常，滤波器的设计要尽量保证滚降的范围越窄越好，这样的话滤波器的性能就会与设计更加地接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。设计一个射频滤波器，其阶数对滤波器的性能有明显的影响，高阶拥有有更好的滤波效果，过渡区相对较短些。射频滤波器（BPF）的应用的例子之一是在大气科学领域中，相当常见的一个例子是用射频滤波器过滤最近几天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。在频带较高的剪切频率F2和较低的下限频率F1之间是共振的频率，这里射频滤波器的增益是最大的，滤波器的带宽就是FL和FH之间的差值。射频滤波器除了电子学和信号处理领域之外，除了电子学和信号处理领域之外，射频滤波器还应用于诸多领域。第三章系统基本方案确定31硬件设计的主要内容本硬件设计的的设计内容主要有一下四个方面组成I设计4阶RCOPAMP带通滤波电路语音滤波器。II上限频率FH28KHZ，下限频率FL200HZ。III增益AV10。IV阻带衰减为40DB/DEC。32系统基本方案带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联,可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率H大于高通滤波电路的截止角频率N。33高阶巴特沃斯滤波电路方案巴特沃斯滤波器是电子电路滤波器中的一种。巴特沃斯滤波器的突出特点是它的通频带的频率响应曲线最平滑。这一种滤波器是最先由英国工程师斯替芬巴特沃斯（STEPHENBUTTERWORTH）提出的，他在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提及到。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减最慢。一阶巴特沃斯滤波器，它的衰减率是每倍频6分贝或每十倍频20分贝。A低通高通低通高通带通二阶巴特沃斯滤波器，它的衰减率为每倍频12分贝、三阶的衰减率则为每倍频18分贝、以此类推。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率是单调下降，而且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线全都保持同样的形状的滤波器电路。但滤波器阶数越高，它在阻频带振幅衰减速度越快。其它的滤波器电路低级数的振幅对角频率和高阶的振幅对角频率图会呈现出不同的形状。阶数N2468增益G一级1586115210681038二级223515861337三级24831889四级2610电路设计表1巴特沃斯低通、高通电路阶数N与增益G之关系二阶低通二阶高通32系统设计流程图开始确定是巴特沃斯射频滤波器确定阶数画出电路确定阶数画出电路由已知条件计算出各电阻，电容值由已知条件计算出各电阻，电容值查表得出实际的元件值，并完善低通滤波器电路图查表得出实际的元件值，并完善高通滤波器电路图MULTISIM仿真MULTISIM仿真低通与高通滤波器级联仿真硬件制作与调试数据测试与分析结束低通滤波器的设计高通滤波器的设计第四章滤波器设计电路图图41四阶射频滤波器总电路框图图42二阶低通部分电路框图（使上限频率FH为28KHZ）图42二阶高通部分电路框图（使下限频率FL为200HZ）图43增益补偿电路框图（使增益AV达到10）第五章射频滤波器各部分电路简介51一阶低通通滤波电路简介低通滤波器的主要技术指标（1）通带增益AVP通带增益指的是滤波器在通频带内的电压放大倍数。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。（2）通带截止频率FP通带截止频率的定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。图51简单一阶低通有源滤波器一阶低通滤波器的电路如上图所示，。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。当F0时，电容器可视为开路，通带内的增益为一阶低通滤波器的传递函数如下，其中该传递函数式的样子与一节RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益AVP这一项。将RC低通滤波器电路中的R和C的位置互换，就可以得到RC高通电路，如下图所示图52简单一阶高通有源滤波器52二阶低通滤波电路简介简单二阶低通有源滤波器为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如下图所示。图53二阶低通电路LPF（1）通带增益当F0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为（2）二阶低通有源滤波器传递函数可以写为通常有，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数3通带截止频率将S换成J，令02F01/RC可得当FFP时，上式分母的模解得截止频率与理想的二阶波特图相比，在超过F0以后，幅频特性以40DB/DEC的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率FPF0之间幅频特性下降的还不够快。（4）频率响应图54二阶高通滤波电路的幅频响应由传递函数可以写出频率响应的表达式当FF0时，上式可以化简为定义有源滤波器的品质因数Q值为FF0时的电压放大倍数的模与通带增益之比以上两式表明，当21，在FF0处的电压增益将大于AVP，幅频特性在FF0处将抬高。当AVP3时，Q，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。53二阶高通滤波电路简介图55压控电压源二阶高通滤波器由图55可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。二阶有源高通滤波器由此可画出其幅频响应曲线，如图56图56二阶高通滤波电路的幅频响应由图可见，二阶高通滤波电路与低通滤波电路的幅频特性具有对偶（镜像）关系。54运算放大器电路压控电压源型滤波器电路增益只能小于3，理论计算值为25左右，而且一般都是接成射极跟随的形式，压控电压源型滤波器电路就是为了改善在截止频率处增益的衰减情况，可以形成一个小小的尖峰，但是，如果增益大了就会过犹不及，尖峰会很高，这样高、低通得到的信号因为截止频率处的频率电压偏高反而引入了新的干扰。所以要增益就在后级加。本设计在滤波电路后引入反相放大电路来进行放大。图57反相放大电路电压增益反相端为虚地点，即，由虚断的概念（）可知，故有0VN0PNI12I1VINR2O由此得21OVIVAR55电路无源器件的计算和选取在运放电路中的电阻不宜选择过大或者太小一般为几千欧至几十千欧较合适，因此，选择低通级电路的电容值为1NF,高通级电路的电容值为01UF。由下面公式可计算出精确的电阻值,1CWRC2CF对于低通级，由于已知C1NF和28KHZ，可算得R5R656K。对于高通级可做HF同样的计算。由于已知C01UF和200HZ，可求得R1R28K。L考虑到已知1586由表一可得，同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端1VFA对地的直流电阻基本相等，现在选择R868，R482，由此可计算出117839,48VFVFRKRAK由于整个滤波器的增益是。所以反相放大电路的增益应该为215。取R109K，则。304251VFA39104936VFRK56芯片的选取和简介在本设计中采用了一片LM358N来做滤波器中的运放和一片NE5532P来做反相放大电路中的运放LM358N简介NE5532P简介NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。主要特性极限额定值符号参数数值单位VSSUPPLYVOLTAGE电源电压22VVININPUTVOLTAGE输入电压VSUPPLYVVDIFFDIFFERENTIALINPUTVOLTAG