仪器电子技术第三章有源滤波器

仪器电子技术吕勇lvyong@2010预习第三章有源滤波电路滤波器参数滤波器传递函数滤波器逼近方法滤波器设计方法集成有源滤波器第三章有源滤波电路第一节基础知识一、滤波器的用途二、分类三、参数四、二阶滤波器传递函数五、滤波器的逼近第二节RC有源滤波器电路第三节RC有源滤波器设计第四节开关电容滤波方法简介第五节集成有源滤波器简介第六节应用举例第一节基础知识

一、滤波器概念与用途具有频率选择作用的电路或运算处理系统，

具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。测量信号表面轮廓形状误差（准直流）波度（低频）表面粗糙度（中频）噪声（高频）二、分类频率与功能特性：

低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波、全通滤波器器件特点：

无源滤波器RLC滤波器、晶体滤波器、压电陶瓷、声表面波滤波器(SAW)、机械滤波器有源滤波RC有源滤波、开关电容滤波器(SCF)信号形式：

模拟滤波器、数字滤波器阶数：1、2、3…….N

三、参数c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()表示最大通带衰减通带角频率阻带最小衰减阻带边缘角频率截止频率固有频率1、特征频率：①通带截频fp=wp/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。②阻带截频fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。③转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。④固有频率f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。2、增益与衰耗①对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w→∞时的增益；带通则指中心频率处的增益。②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。③通带增益变化量△Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。三、参数3、阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q=w0/△w。式中的△w为带通或带阻滤波器的3dB带宽，w0为中心频率。4、灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。5、群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性∮(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d∮(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d∮(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。三、参数理想幅频特性四、二阶滤波器传递函数二阶传输函数低通带通高通带阻20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60a)幅频特性α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°b)相频特性低通b)lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)20lgA/dB)lg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-40a)幅频特性b)相频特性高通b)相频特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBa)幅频特性lg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=1000带通01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)-40-6020lgA/dB0-1

-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(ω/ω0)/(°)a)幅频特性b)相频特性带阻五、滤波器逼近方法近似方法:1、巴特沃思近似2、切比雪夫近似3、贝塞尔近似理想滤波器要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。1、巴特沃思近似幅频函数传递函数例n=1s1=-1n=1,2,...n=2归一化：2、切比雪夫近似0.5db波纹n=1 S+2.863n=2 S2+1.425S+1.5161db波纹n=1 S+1.965n=2 S2+1.098S+1.1033、贝塞尔近似n=1 S+1n=2 S2+3S+3En()贝塞尔滤波多项式.三种方法特点巴特沃思：通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近，相移与频率的关系不是很线性的，阶跃响应有过冲。0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)切比雪寇夫：下降最归陡，但甚通带之惩间幅频哨曲线有苏波纹。贝塞尔： 相问移和频率奔之间有良凝好的线性圣关系，阶老跃响应过份冲小，但下幅频曲线跌的下降陡品度较差。三种方锦法特点ω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω0246800.81.0t/t0213uo(t)/ui第二节竟RC有源举滤波器电珠路一、一阶公RC有源洲低通滤波器二、一阶荣RC有源盈高通滤波床器三、压控欠电压源型直滤波电路四、无张限增益行多路反浮馈型滤锈波电路五、双二收阶环滤波萄电路一、一丧阶RC顾有源低通滤劲波器IT二、一阶划有源高通循滤波器传递函数：通带增益：截止频率：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|三、压控奖电压源型瞧滤波电路该电路秆压控增揭益Kf=1+R0/R，传递名函数为uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N1、低蒙通滤波耻电路滤波器参暴数为∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R12、高通丑滤波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+N3、带器通滤波担器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N4、带阻扒滤波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N特点：调整方便易自激Q值较罪小∞-++NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)四、无限度增益多路眠反馈型滤垦波电路1、低通豆滤波电路∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)2、高朴通滤波骗器∞-++NR2C1C3C2R1Ruo(t)ui(t)3、带亭通滤波五器∞-++NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)特点：调整不太萄方便稳定对有源派器件要笨求高Q值较尿小1、低够通与带须通滤波闪电路∞-++N1∞-++N2∞-++N3R1R0R2C1R3R4R5ui(t)C2u3(t)u2(t)u1(t)五、双到二阶环锻滤波电欧路2、可嘴实现高广通、带安阻与全巡寿通滤波哲的双二调阶环电姑路∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C23、低呆通、高尼通、带孔通、带尽阻与全名通滤波饮电路∞-++N1∞-++N3∞-++N2∞-++N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1特点：调整方便稳定Q值较高第三节责RC晶有源滤限波器设寄计方法：公式法图表法快速设谅计计算机跨辅助设菜计类比法公式法确定传递树函数逼近函数傅选择阶数确定经验根据通崭带增益猾、阻带杜衰减、乐通带截笋止频率左、阻带霞截止频宝率、波凭纹特性偷确定选择电放路结构选择有估源器件展（增益拳、带宽您、噪声谱和输入室输出电望阻）计算无乒源元件堪参数RC聚不能太抗大、太协小C=10肆0/F阶数越欧大，要熔求R神C精确归一化将滤波沾器设计在归结为迎截止频距率为1辞的低通倦滤波器跃的设计骨,通帝过一定挂的规则缝把归一化低通滤肢波器变怠换成实纷用的滤寇波器(墨图表法惩)归一化快有速设计⑴在给标定的fc下，参考粱下表选择萝电容C1;⑵根据C1的实际桑值，按议下式计邪算电阻颈换标系高数K;K=100么/fcC1⑶由表椒确定C2及归一化糖电阻值ri，再换炒算出Ri。∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)f/Hz<100100~1000(1~10)k(10~100)k>100kC1/uF10~0.1

0.1~0.010.01~0.001(1000~100)×10-6(100~10)×10-6126103.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.18016.252

50.033第四节非开关电容趣滤波方法搭简介∞-++Nui(t)uo(t)C2R12a)ui(t)C2uo(t)∞-++N12C1V2V121b)Tc21c)∞-++N21C1uo(t)I1ui(t)C2d)C2∞-++Nuo(t)2I2e)MAX趟280到/LT猛C10仍62五棒阶零直拾流误差骂低通滤秤波器单片集成亡通用有源忘滤波器M搞AX26均3/26健4MAX2值74/M层AX27帆5四阶和安八阶连续依时间有源哨滤波器MAX更291玻/MA品X29锈2/M饲AX2养95/它MAX限296揪八阶低征通开关兆电容滤窃波器MAX稻293嘉/MA膨X29托4/M恢AX2驶97八缺阶低通眉椭圆型每开关电浸容滤波股器第五节绵集成育有源滤持波器简扩介第五节袜集成宝有源滤犯波器简友介1、单周片集成暗五阶巴染特沃斯火低通滤就波器M闷AX2掏80内部开关电容网络RCRclkCclk(外部缓冲放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5v(33pF)内部时钟电路ui(t)2、单床片集成眉通用有淘源滤波区器MA炭X26炸3/2居64++∫++∫∞-++

分频比编码控制电路品质因数编码控制电路工作模式编码控制电路S2S3S11S2S3qrrrr+−INGNDM0M1Q0~Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0~F4求和节点同相积分器S1N1N2同相积分器−N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1V¯GNDQ2Q3OSCOUT

F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA3、M讽AX2怎74/锤MAX灯275虏四阶和励八阶连雄续时间熔有源滤扶波器特性应用3、MA眉X274当/MAX竹275四案阶和八阶匹连续时间怎有源滤波既器ABDC3、MA百X274恢/MAX许275四检阶和八阶坊连续时间兄有源滤波亡器内部特性登描述3、MA拨X274阀/MAX危275四欢阶和八阶侍连续时间删有源滤波梳器3、M嫌AX2刺74/抛MAX合275融四阶和脾八阶连伯续时间域有源滤匀波器典型电告路与响墨应3、MA炎X274梅/MAX册275四睁阶和八阶美连续时间判有源滤波义器3、M须AX2蛛74/葵MAX烘275礼四阶和捉八阶连光续时间艇有源滤艰波器带阻滤妻波器实奖现3、MA腿X274凉/MAX虹275四尚阶和八阶劫连续时间立有源滤波谜器滤波器府设计算嫌法3、M冰AX2豆74/油MAX烂275犁四阶和源八阶连旧续时间聚有源滤傅波器级联增益再选择3、M乳AX2泡74/薪MAX博275甲四阶和孙八阶连蛛续时间妖有源滤赞波器3、M