RC有源滤波器的快速设计.ppt

1 15.6    RC有源滤波器的快速设计有源滤波器的快速设计1.1.滤波器的基础知识滤波器的基础知识2.2.低通有源滤波器低通有源滤波器3. 3. 快速设计方法快速设计方法----滤波器特性的逼近滤波器特性的逼近•1. 滤波器的基础知识2 23 3功能功能: : 允许信号中某一部分频率的分量通过允许信号中某一部分频率的分量通过通带通带: : 能够通过信号的频率范围能够通过信号的频率范围阻带阻带: : 不能够通过信号的频率范围不能够通过信号的频率范围截止频率截止频率: : 通带和阻带之间的分界频率通带和阻带之间的分界频率 4 4滤波器的分类滤波器的分类a.  根据处理的信号不同分为根据处理的信号不同分为 b.  根据使用的滤波元件不同分为根据使用的滤波元件不同分为数字滤波器数字滤波器模拟滤波器模拟滤波器RC型型LC型型RLC型型c.  根据工作频率不同分为根据工作频率不同分为低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器全通滤波器全通滤波器5 50fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际低通滤波器的幅频特性实际特性实际特性理想理想特性特性阻带阻带过渡带过渡带通带通带6 6d. 根据滤波器的阶数根据滤波器的阶数一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器高阶滤波器e. 根据采用的元器件不同根据采用的元器件不同无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器滤波器的阶数越高，性能越好。

滤波器的阶数越高，性能越好7 7组成组成: : 由电阻、电容、电感等无源器件组成由电阻、电容、电感等无源器件组成体积和重量比较大，电感还会引起电磁干扰体积和重量比较大，电感还会引起电磁干扰a) 无源滤波器无源滤波器电路简单电路简单高频性能好高频性能好工作可靠工作可靠优点优点通带信号有能量损耗通带信号有能量损耗负载效应比较明显负载效应比较明显缺点缺点CRRL无源高通滤波器无源高通滤波器8 8(b) 有源滤波器有源滤波器电路体积小、重量轻电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大通带内的信号可以放大精度高、性能稳定、易于调试精度高、性能稳定、易于调试负载效应小负载效应小组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成优点优点可以多级相连，用低阶来构成高阶滤波器可以多级相连，用低阶来构成高阶滤波器通带范围小，受到运放的限制通带范围小，受到运放的限制需要直流电源需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合适用于低频、低压、小功率等场合缺点缺点9 9一阶低通和二阶低通一阶低通和二阶低通幅频特性曲线幅频特性曲线的区别的区别0-3dbAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通二阶低通二阶低通阶数越高，阶数越高，幅频特性曲线幅频特性曲线越接近越接近理想滤波器理想滤波器•2. 低通有源滤波器10101111电路由电路由RC低通低通 同相比例放大器同相比例放大器组成组成同相比例放大器有同相比例放大器有uou+ui电路的电路的传递函数传递函数为为电路特点电路特点:具有较高输入电阻和具有较高输入电阻和较低的输出电阻，还具有电压放较低的输出电阻，还具有电压放大作用。

由于式中大作用由于式中s为一次幂，为一次幂，所以称一阶所以称一阶LPF 1）一阶低通有源滤波器）一阶低通有源滤波器1212U’一级一级RC二级二级RC同相比例同相比例运算电路运算电路uou+2 2）简单二阶低通有源滤波电路）简单二阶低通有源滤波电路 1313 3) 二阶压控电压源低通滤波电路二阶压控电压源低通滤波电路              简单的二阶低通滤波器可在一阶的基础上，加一节无源简单的二阶低通滤波器可在一阶的基础上，加一节无源简单的二阶低通滤波器可在一阶的基础上，加一节无源简单的二阶低通滤波器可在一阶的基础上，加一节无源RCRC低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波环节就可构成只不过这种电路在环节就可构成只不过这种电路在环节就可构成只不过这种电路在环节就可构成只不过这种电路在f f0 0附近，附近，附近，附近，幅频特性与理想特性之差比一幅频特性与理想特性之差比一幅频特性与理想特性之差比一幅频特性与理想特性之差比一阶的还大将电容阶的还大将电容阶的还大将电容阶的还大将电容C C1 1改接至运放输出端，组成二阶压控电压源低通滤波改接至运放输出端，组成二阶压控电压源低通滤波改接至运放输出端，组成二阶压控电压源低通滤波改接至运放输出端，组成二阶压控电压源低通滤波电路。

对此电路可列出方程式电路对此电路可列出方程式电路对此电路可列出方程式电路对此电路可列出方程式R R4 4- -+ ++ +∞ ∞U Uo o(S)(S)R R3 3R R2 2C C1 1U Ui i(S)(S)U U+ +(S)(S)C CR R1 1MM 二阶压控电压源低通滤波电路二阶压控电压源低通滤波电路二阶压控电压源低通滤波电路二阶压控电压源低通滤波电路（（1））（（2））1414（（4））  二阶二阶MFB有源低通滤波器有源低通滤波器无限增益多路反馈型二无限增益多路反馈型二阶有源低通滤波器阶有源低通滤波器它是在反相比例积分器的输入端再加一节它是在反相比例积分器的输入端再加一节RCRC低通电路而构成低通电路而构成二阶反相型二阶反相型LPFLPF的改进电路的改进电路 ；输出端通过；输出端通过C1C1、、R2R2形成两条反形成两条反馈支路，故称为无限增益多路反馈电路馈支路，故称为无限增益多路反馈电路12+_+_._+1515常用有源滤波器传递函数的一般表达式常用有源滤波器传递函数的一般表达式 滤波器波器类型型 传递函数函数 通通带增益增益 一一阶低通低通滤波器波器                                                                                                                  一一阶高通高通滤波器波器                                                                                                              二二阶低通低通滤波器波器                                                                                                                                                                 二二阶高通高通滤波器波器                                                                                                                                                          二二阶带通通滤波器波器                                                                                                                                                                        二二阶带阻阻滤波器波器                                                                                                                                                                                          3.快速设计方法--滤波器特性的逼近• 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•测控系统中常用的三种逼近方法为： • 巴特沃斯逼近 Butterworth• 切比雪夫逼近 Chebyshev• 贝赛尔逼近 Bessel1616设计•例：设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率fc=2kHz,增益Av=21717R R3 3 33.75k 33.75kR R4 4 33.75k 33.75kR R1 1 5.63k 5.63kC 0.01uFC 0.01uFR R2 2 11.2k 11.2kC C1 1 0.01uF 0.01uF1818（（2））根据截止频率根据截止频率fc ，查图确定电容的标称，查图确定电容的标称值，使其满足值，使其满足 K=100/(fc*C), K的的 取值范围：取值范围：1

在构成较高频率的有源滤波器时，不但应选用放在构成较高频率的有源滤波器时，不但应选用增增益带宽积益带宽积高的，且要注意选择高的，且要注意选择转换速率转换速率SRSR高的运放高的运放21211 1、利用滤波器串联的方式，可以实现高阶滤波器利用滤波器串联的方式，可以实现高阶滤波器 例：例：一阶＋二阶低通＝三阶低通一阶＋二阶低通＝三阶低通2 2、利用滤波器串联的方式，可以实现带通滤波器利用滤波器串联的方式，可以实现带通滤波器 例：例：低通＋高通＝带通（低通＋高通＝带通（f fH H < < f fL L））4 4、电阻：、电阻：应选用温度系数小的电阻，且精度高一应选用温度系数小的电阻，且精度高一些电阻的取值一般是：些电阻的取值一般是：1K-100K1K-100K5 5、电容：、电容：必须选用损耗小的优质电必须选用损耗小的优质电容，电容的取值一般是容，电容的取值一般是大于大于：：10pF10pF•6 6、、在实际制作有源滤波器之前，应先根据在实际制作有源滤波器之前，应先根据所设计的电路及元器件值，利用所设计的电路及元器件值，利用电路仿真电路仿真软件进行模拟，软件进行模拟，并利用软件的分析功能对并利用软件的分析功能对滤波器的各项性能指标进行分析，以减少滤波器的各项性能指标进行分析，以减少实际调试工作量。

实际调试工作量2222。