有源滤波设计综述

1、摘 要11 RC有源滤波器设计 11.1方案框图1.1.1方案框图1.1.2子框图的作用1.1.3 方案选择1 1.2单元电路计1.2.1方案框图1.2.2滤波器的传输函数与性能参数 1.2.3已知条件与设计步骤 1.3元件参数的计算1.3.1二阶低通滤波器 1.3.2二阶带通滤波器 1.3.3二阶高通滤波器 1.4 元器件选择1.5工作原理2EWB仿真分析2.1EWB电路图.2.2EWB仿真分析2.3结果分析.231 观测幅频特性 232 理论值计算及分析 33电路板的制作213.1 绘制PCB原理图3.2制作PCB板致 谢31参考文献32附 录33附录一 33附录二33附录三34摘要木设计

2、主咚介绍了勺源滤波器的设让方法及仿真。此设计主陵分两部分 逼近和综合即先 按庶给定频率响应特性汗找传逆函数 再由传递画数求H有源滤波的I厨.基木以次是从无 源到仃源 从低通滤波到商適、号逋和帯阻滤淤 从口_化笏数隹到非!/一化参数值 从理 想滤波器到实际可实现电路。有源模拟滤波器是在了解了理想滤波器的模型特性及频率响应特叫 滤波器的屯路结构及元件参数和蟆拟能波器的感率变唤及元件变换的分析的莖础I； 设计出的。关谨诃-原滤波器逼近 综合1 RC有源滤波器设计1.1总方案设计1.1.1方案框图图Ll.l RC有源滤波总框图1.1.2 子框图的作用1 RC网络的作用在电路中RC网络起着滤波的作用，滤

3、掉不需要的信号，这样在 对波形的选取上起着至关重要的作用，通常主要由电阻和电容组成。2放大器的作用电路中运用了同相输入运放，其闭环增益 RVF=1+R4/R3同相放 大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大 级。3反馈网络的作用将输出信号的一部分或全部通过牧电路印象输入端，称为反馈， 其中的电路称为反馈网络，反馈网络分为正、负反馈。1.1.3方案选择滤波器在通信测量和控制系统中得到了广泛的应用。一个理想的滤 波器应在要求的频通内具有均匀而稳定的增益， 而在通带以外则具有 无穷大的衰减。然而实际的滤波器距此有一定的差异，为此人们采用 各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。用运算

4、放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。 凶为不用电感元件 所以免除电感所固有的非线性特性、磁场屏 蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电 阻高 输入电阻低 所以能提供一定的信号增益和缓冲作用 这种 滤波器的频率范围约为10-3Hz106H z,频率稳定度可做到（10-31010-5）/摄氏度频率粘度为+（35）%并可打简单的级 联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。滤波器的设计任务是根据给定的技术指标选定电路形式和确定电路的元器件。滤波器等的技术指标有通带和阻带之分，通带指标有通带的边界频率（没有特殊的说明时一般为-3dB截止频率）通带传输 系数。阻带指标为带外

5、传输系数的衰减速度（即带沿的陡变）。下面简要介绍设计中的考虑原则。（1）关于滤波器类型的选择一阶滤波器电路屐简单但帯外传输系数哀减慢一般在对带 外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性 对参数变化比较敏感 布这点上它不如压控电压源型一阶滤波器。当 要求带通滤波器的通带较宽时 可用低通滤波器和高通滤波器合成 这比单纯用带通滤波器耍好（2）级数选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一 阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减何:卫低通或焉建电跻可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶

6、数等于各级阶数之 和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程） 时，则取级数n应满足n大于等于m/6（或n大于等于m/20）。（3）运放的要求亦尢特殊更求的情况下 可选用通用型运算放大器。为了满足 足够深的反馈以-保讦一所需滤波特性运放的开环增应亦80dB以上。 对运放频率特性的更求由其工作频率的上限确定设丁作频率的 上限为Fh,则运放的单位增益宽带应满足下式：BW（大于等于（3-5） AefH 式巾为滤波通带的传输系数“如果滤波器的输入信号较小， 例如在10mV以下，则选低漂移运放。如果滤波器工作于超低频，以 至使RC网络中电阻元件的值超过100kQ，则应选低漂移高输入阻

7、抗 的运放。（4）元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc （ 3 c）带内增益Av,以 及品质因数Q。二阶低通或高通一般为 0.707。在设计时经常出现待 确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电 阻易配，可根据工作频率范围按照表1.1.3初选电容值。f(110)Hz10102Hz102103Hz110 KHz10103KHz102103KHzC(2010)F100.1 uF0.10.01uF104103pF103102pF10210pF衣1.

8、1.3滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系1.2单元电路设计1.2.1. 原理图设计(1) 低通滤波器图1.2.1.1低通滤波器电路图(2) 高通滤波器图1.2.1.2高通滤波器电路图(3) 带通滤波器图 1.2.1.31.2.2 滤波器的传输函数与性能参数由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为 RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以 外的信号。因受运算放大器带宽限制，这类滤波器仅适用于低频范围， 根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻四种滤波器，它们 的幅频特性如下图所示。具有理想特性的滤波器是很难实现的， 只能 用实际特性去逼近理想的。常用的

9、逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦响 丿M和切比雪夫等波动响应。在不许带内有波动时用巴特沃斯响应较好，如果给定带内所允许的纹波差，贝y切比雪夫响应较好(a)阶低通澹波电路(c) 一阶蒂宽滤波电路图1.2.2二阶有源滤波器电路图表1.2.2二阶RC滤波器的传输函数表类型传输函数低通A(s)=Av 3 c2/(s2+ 3 cs/Q+ w c2)高通A(s)=Avs2/(s2+ w cs/Q+ w c2)带通A(s)=Av w 02s/Q(s2+ w cs/Q+ w c2)123已知条件与设计步骤（1）已知条件已知滤波器的响应、滤波器的电路形式、滤波器的类型、滤波器的性能参数 fC,Q,BW或AV。（2）

10、设计步骤1 根扌尿截山频率，从表1.1.3中选定一个电容C的标称值，使其满足 K=100/fCC （如带通 K=1OO/fOC）（1.2.3）注总：K不能人人否则会使屯阻的取値较人从而使引入增加 通常取1 K 10。2 从没讣表中査处打AV对应的电容值及K=1时的电阻 值。再将这些阻值乘以参数 K 的电阻的设计值，3 实验调整并修改屯萃“屯阻值 测量滤玻器的性能 参数绘制幅频特性a灯低近法泼抖戏计古性能参数设计表说明阻为参数K=1时的值单位为K Q(b)二阶高通滤波器设计表性能参数设计表说明阻为参数K=1时的值单位为K Q(c)二阶带通滤波器设计表性能参数设计表设计表设计表设计表设计表说明阻为

11、参数K=1时的值单位为K Q表1.2.3电路设计表2注意事项(1)膜电阻及容差小于10%旳徉圧呱滤;:必州.适w丰测心-讥冬只/只Ac/c及运放的性能文验前应测星回 电容的准确趾(2) ：丫.汕I；讨比I，若某项指标偏差较大，则引发更据设计表调整修改相应元件的值。1.3元件参数的计算1.3.1二阶低通滤波器1 二阶滤波器性能参数表达式为3 C2 / CC1RR1 (1.3.1) Q=0.7073 C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+A V)/R2C1(1.3.1.2)AV=1+R4/R3(1.3.1.3)2参数计算因为fH=2000HZ Ui=100mV。所以通过查表得 fC=2kHZC=0

12、.01Uf, |丨氏 1.2.3K=5.1.2.3(a) 得 AV=2寸 C=C1=0.01Uf;K=5寸 R1=5.63K Q ,R2=11.8K Q ,R3=R4=33.75K Q。 1.3.2 二阶高通滤波器1.二阶滤波器的参数表达式3 C2 / CC1RR1(1.3.2.1)Q=0.7073 C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+A V)/R2C1(1.3.2.2)AV=1+R4/R3(1.3.2.3)2 参数计算因为fH=1000HZ Ui=100mV。所以通过查表得fC=100HZC=0.1UF,由式 1.2.3K=10。 z1.2.3(c) 皈 Q=10 行 AV=2 吋 取 C

13、=C1=0.02UF;K=10 吋R仁79.7K Q ,R2=5.8KQ ,R3=11.68K ,R4=R5=23.3K Q。1.4 元器件选择电阻的选择根据参数计算得的结果和市场上所出售的请况而选样见附录淸单。电容的选择根扌居吃阻的确定和规定的截山频率i iij选择兀附录清单。运放的选择 我们选择了八管脚的UA741单运放 其管脚图如图1.5.1Ua741管脚图U PACKAGE图1.5.2 UA741内部原理图17和人部矗讲唱賂JhU4人级償宣电路出间级_输出级FT | 丨 、Tr51.5工作原理滤波电路是一种能使杨浦用频率通过，同时抑制无用成分的电 路滤波电路种类很多由集成运算放大器、电

14、容和电阻可构成有源 滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力 和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制， 有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低 通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路， 高频滤 波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通 过而该频段之外的信号不能通过的电路。2 EWB仿真分析EWB软件介绍EWE的全称为 Electronics Workbench （电子工作台），它提供了 仿真实验和电路分析两种仿真手段，可用于模拟电路、数字电路、数 模混合电路和部分强电电路的仿真、分析和设计。EWB是

15、一种优秀而易学的 WDA（电子设计自动化）软件，与其他 仿真分析软件相比，EWB勺最显著特点就是提供了一个操作简便且与 实际相似的虚拟实验平台。他几乎能对”电子技术”课程中所有基本 电路进行虚拟实验，虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似， 但比 实际方便、省时。他还能进行实际无法或不便进行的试验内容，通过 储存和打印等方法可精确记录器实验结果。 它提供十多种电路分析功 能，能仿真电路实际工作状态和性能。应用EWB便于实现边学边练的教学模式，使“电子技术”课程 的学习变得更有趣而容易。2.1 EWB电路图二阶低通滤波器114 OU2.二阶带宽滤波器71 kOhrnAAVirriAOH图2.1.1

16、二阶低通滤波电路1.二阶高通滤波器图2.1.2二阶高通电路图2.1.3二阶带宽电路22 EWB仿真分析分析结果图i二阶低通滤电路Bode PlotterInOut(aOscilloscopei Out (Bode riot terrin a竹弓T2oapa乞T?-TI入 aga如b8.21nVi 2228 aVVC.V*A199 U62Ssi-1 t 2nVg ?oaa 2g： q0= 016皿 4rV nV6K*A-TW W(HP) aao(Bp)专 qd3二阶帯宽电跻:*PhjFH.inrrrtSsrvi迪1&H： *1eK=口 CEF3-rnviBT r*hieduhz炳 H 0.707

17、幅频特性会出现峰值现象。在Q=0.707悄出下 为f=fn 时 20lg|Au/Auf|=-3dB,即特征频率fn就是滤波器的截止频率，并 .fl. Q越大曲线越尖(3)(4) Aumf=20Lg(A0)-3截止频率 f0 已知。2分析(1) 低通滤波器 首先输入信号 Vi=100mV,观察滤波器的截止 频率fC及电压放大倍数Ao,测得数据如表2.3.1.1所小某木満足妥求 由丁参数的影响较大 故与设计表对比有很大的误聾。(2) 高通滤波器在测高通滤波器时其忙号发生器的偷!川帕 度随频率的升高lli下降 这时应使Vi=100mV不变。测的数据如表2.3.1.2(3) 带通滤波器 电路的幅频特性

18、的衰减速率主要有电路的品 质因数Q决定。测的数据如表3电路板的制作3.1绘制PCB原理图1. 设置电路图纸参数及相关信息2. 装入所需的元件库3. 放置元件4. 电路图布线5. 调整、检查和修改6. 补充完善7. 保存和打印输出8. 原理图如下a阶低通滤波电路(b) 一阶奇通滤波电路r% rR32-1r2257k22 57kaTAi8C1Z22IN12 OUT7_|11viN1II361Vo1II450UhA-14AR1R218 SlkId1k2阶带宽濾波电路3.2 制作 PCB板1. 用油印纸打印原文件的PCB图2. 根据需要选择单面板还是双面板（此设计用单面板即可），根据PCB 图确定PCB板大小川细砂纸将PCB板覆铜间打磨光庫 去除铜锈 然后淸洗十净 以便汕墨能够顺利覆上。3.将印有PCB图的油印纸 反扣在清洗干净后的PCB板覆铜面上，往油印纸上浇适量水，