电子系统设计模拟滤波器设计PPT课件

1、四、滤波器分类四、滤波器分类(按频率特性进行分类按频率特性进行分类)： oiUU oiUU oiUU oiUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻第2页/共109页第1页/共109页 iUs oUs传递函数：传递函数： oooiiiUsUA sUsU oiUA sU幅频特性幅频特性 ois 相频特性相频特性滤波器滤波器五、传递函数、幅频特性五、传递函数、幅频特性第3页/共109页第2页/共109页RCR例例1：一阶：一阶RC低通低通无源低通滤波器无源低通滤波器iU oU 01RC11oiUj CURj C11j RC011j01()1A jj传递函数传递函数201()1A j幅频特性幅频特性令（

2、）第4页/共109页第3页/共109页201()1 ()A joiUU0 10.707 0截止频率截止频率幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线iU oU RCR当 0时时,A(j )=1/2 =0.70720log A(j )=20log 1/2 = -3dB第5页/共109页第4页/共109页通频带宽度通频带宽度(带宽带宽)oiUU0 10.707 0截止频率截止频率带宽带宽:0 - 0 01RC 02f0f0=1/(2RC)第6页/共109页第5页/共109页R11k C11uF 1V11 V 1kHz 0Deg 20一阶RC低通无源滤波器的仿真图 第7页/共109页第6页/共10

3、9页一阶RC低通无源滤波器幅频特性曲线f0159Hz第8页/共109页第7页/共109页一阶RC低通无源滤波器带负载能力 负载RL负载RL1k第9页/共109页第8页/共109页)1214(j1jj1)j (12RCRCCRRUUH 令 RC11C 对图对图(a)所示所示 RC串联电路，电阻电串联电路，电阻电压对输入电压的转移电压比为压对输入电压的转移电压比为例例2：一阶：一阶RC高通高通无源低通滤波器无源低通滤波器第10页/共109页第9页/共109页 将上式改写为将上式改写为 其中其中 第11页/共109页第10页/共109页 波特图如图所示，该曲线表明图波特图如图所示，该曲线表明图14-

4、8(a)电路具有高通电路具有高通滤波特性。由此可见，当滤波特性。由此可见，当 C时，曲线近乎一条平行于横时，曲线近乎一条平行于横坐标的直线，当坐标的直线，当 0，所以放大倍数AUP3。第64页/共109页第63页/共109页滤波器的电路结构 无限增益多重反馈滤波器(MFB)电路第65页/共109页第64页/共109页滤波器的电路结构 电压控制电压源（Sallen-Key）电路第66页/共109页第65页/共109页滤波器的电路结构 无限增益多重反馈滤波器(MFB) 反相滤波器 优点：Q值、截止频率对元器件改变的敏感度较低，增益大 缺点：输入阻抗低，增益精度不高 Sallen-Key型滤波器 同

5、相滤波器 优点：输入阻抗高，增益精度高（增益设置与滤波电阻电容无关） 缺点：增益有限（一般地，二阶时，放大倍数3）第67页/共109页第66页/共109页典型滤波器的设计（4大要素）第68页/共109页第67页/共109页设计中的考虑原则 电路类型选择 MFB型和Sallen-Key各有优缺点，根据实际选用。设计通带较宽的带通滤波器时，可用低通和高通合成，这样比带通滤波器好。 阶数选择 阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。 运放的要求 输入信号较小（如100Gainfc 压摆率SR2VOPPfc （VOPP为输出信号电压峰峰值）第69页/共109页第68页/共109页六、实验内容及步骤1.

6、利用FilterPro设计语音信号滤波器 下面我们以语音信号低通滤波为例，介绍一下利用FilterRro设计RC有源滤波器的方法。第70页/共109页第69页/共109页六、实验内容及步骤设计要求：设计一个RC有源低通滤波器，-3db（ 20lg（Vo/Vi）=-3；Vo/Vi=0.707）截止频率20khz-45db（20lg（Vo/Vi）=-45；Vo/Vi=1/178） 频率100khz下面是FilterPro的设计步骤：第71页/共109页第70页/共109页六、实验内容及步骤低通第72页/共109页第71页/共109页六、实验内容及步骤-3db,20khz-45db,100khz纹波

7、增益1db通带增益0db第73页/共109页第72页/共109页六、实验内容及步骤归一化函数：切比雪夫 1db第74页/共109页第73页/共109页六、实验内容及步骤反馈类型 ：Sallen-key第75页/共109页第74页/共109页六、实验内容及步骤设计报告：3阶，切比雪夫1db低通第76页/共109页第75页/共109页六、实验内容及步骤幅频特性曲线第77页/共109页第76页/共109页R1 16kR2 2kR3 2kC1 1nC2 1nC3 15n+VG1VF1 -+32674OP1 TL081C-+32674OP2 TL081CV1 10V2 10V3 10V4 10V+V-六

8、、实验内容及步骤2.利用TINA-TI优化设计高性能语音信号滤波器第78页/共109页第77页/共109页六、实验内容及步骤频域特性仿真设置第79页/共109页第78页/共109页六、实验内容及步骤频域特性仿真结果-3db22.01khz-45db90.48khz第80页/共109页第79页/共109页六、实验内容及步骤时域特性仿真设置第81页/共109页第80页/共109页六、实验内容及步骤Vout1: 1kHzVout2: 25.75kHzVout3: 50.5kHzVout4: 75.25kHzVout5: 100kHz时间(s)0.002.50m5.00m7.50m10.00mVin-

9、1.001.00Vout1-1.002.00Vout2-600.00m600.00mVout3-100.00m300.00mVout4-100.00m200.00mVout5-100.00m100.00mVout1: 1kHzVout2: 25.75kHzVout5: 100kHzVout4: 75.25kHzVout3: 50.5kHz时域仿真结果第82页/共109页第81页/共109页六、实验内容及步骤3.实验验证在面包板上，对电路进行实际验证，输入p-p值为2v的sin波，频率10-1Mhz，记录输出信号的波形及峰峰值，画出幅频特性曲线，描出-3db和-45db的截止频率。第83页/共1

10、09页第82页/共109页 TL084的vcc+和vcc-分别取：10v；第84页/共109页第83页/共109页六、实验思考题更高性能的滤波器设计，如-45db截止频率缩小至50Khz。第85页/共109页第84页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 开关电容滤波器（Switched-Capacitor Filter，SCF）是利用开关电容网络和运放构成的滤波器。 开关电容网络通过MOSFET开关周期性地作用于MOS电容来模拟电阻。 开关电容滤波器可以提供稳定的截止频率或中心频率。第86页/共109页第85页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 开关电容滤波器的基本原理 开关电容由两

11、个MOS开关和MOS电容组成。1和1是不重叠的两相时钟脉冲（该时钟脉冲的频率fs通常是输入信号v1(t)最高频率的50150倍），因此两只MOS管轮流导通。 开关电容能模拟成电阻：第87页/共109页第86页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 开关电容能模拟成电阻： 开关电容相当于一个电阻。开关电容能模拟成电阻，解决了模拟集成电路制造中的一个关键问题。因为在集成电路制造过程中，电阻常常受到容差和热漂移所困扰，而且要占据昂贵的芯片面积。第88页/共109页第87页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 开关电容积分器 用开关电容代替积分器中的电阻 第89页/共109页第88页/共109页

12、七、开关电容滤波器原理及应用 将式（2.2-6）代入式（2.2-8）可得： 结论： 电路中没有电阻。 特征频率0取决于电容比值。 特征频率0与时钟频率fS成比例。第90页/共109页第89页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 开关电容滤波器第91页/共109页第90页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 单片集成开关电容滤波器应用 单片集成滤波器大都是SCF。原因是它的时间常数取决于电容化集成工艺，可实现高精度和高稳定度的电容比。第92页/共109页第91页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 单片集成开关电容滤波器应用 开关电容滤波器使用时基本不需要外接元件，另由于滤开关电容滤

13、波器使用时基本不需要外接元件，另由于滤波截止频率与时钟频率有一定的比例关系，因此，滤波器的波截止频率与时钟频率有一定的比例关系，因此，滤波器的设计任务已简化到只需选择时钟频率。设计任务已简化到只需选择时钟频率。第93页/共109页第92页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 TL14巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器 （1）低成本、易用； （2）滤波器的截止频率取决于外部时钟频率； （3）截止频率范围从0.1Hz至30kHz。 第94页/共109页第93页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 TLC14截止频率fc取决于时钟频率fs， fc fs/100。 TLC14时钟信号可由内部振荡器

14、产生，也可由外部产生。第95页/共109页第94页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 表2.2-3为由TLC14实现截止频率为2.5kHz的低通滤波器的幅频特性。第96页/共109页第95页/共109页七、开关电容滤波器原理及应用 TLC14典型应用第97页/共109页第96页/共109页八、练习一低通滤波器设计 设计一个有源低通滤波器，截止频率为100kHz（误差绝对值不大于10%），带外衰减不少于40dB/十倍频程。 采用FilterPro进行设计，采用Tina进行仿真。第98页/共109页第97页/共109页八、练习二正弦信号产生电路设计 正弦信号产生电路框图如下图所示。 采用55

15、5定时器设计多谐振荡器，产生频率为1kHz，占空比为50%的方波信号V1。频率和占空比允许有5%误差。 设计一个有源低通滤波器将V1转化为同频率的正信号V2，要求用示波器观测V2无明显失真，VP-P4V，直流偏移量为0V。 采用FilterPro进行设计，采用Tina进行仿真测试。多谐振荡电路有源滤波电路V1V2第99页/共109页第98页/共109页七、练习二正弦信号产生电路设计 有源滤波器设计方波展开为傅里叶级数第100页/共109页第99页/共109页七、练习二正弦信号产生电路设计 有源滤波器设计方波展开为傅里叶级数第101页/共109页第100页/共109页七、练习二正弦信号产生电路设计 有源滤波器设计第102页/共109页第101页/共109页七、练习二正弦信号产生电路设计 有源滤波器设计TINA中设计仿真：第103页/共109页第102页/共109页七、练习二正弦信号产生电路设计 有源滤波器设计第104页/共109页第103页/共109页八、正弦波叠加成方波按傅里叶级数叠加！按傅里叶级数叠加！第105页/共109页第104页/共109页八、