低通濾波器的設(shè)計

1、1低通濾波器的幾種方式對比巴特沃思型濾波器的特點是通帶內(nèi)比較平坦，但是衰減較慢；切比雪型濾波器的特點是通帶內(nèi)有等波紋起伏，衰減較快，但相位特性和群延時特性不太好；逆切比雪夫型濾波器的特點是阻帶內(nèi)有等波紋起伏，阻帶內(nèi)有零點，由于橢圓形濾波器比它能得到更好的截止特性，因而它不太使用；而橢圓函數(shù)型濾波器的特點是通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都有等波紋起伏。貝塞爾濾波器是通帶內(nèi)延時特性最好，因而這種濾波器能夠無失真的傳送信號，但其截止特性相當(dāng)差。ltc1560-1允許通帶內(nèi)有有波動（采用無波動的巴特沃斯濾波器，如果調(diào)解參數(shù)，衰減速度如果也能滿足要求，那樣更好），0.55倍截止頻率時為0.2db，0.9倍截止頻率時為0

2、.3db，在衰減帶要求是2.43倍截止頻率時為63db，在10倍截止頻率時是60db以上?？紤]以上要求，巴特沃思型濾波器、切比雪夫型濾波器、橢圓形濾波器都有可能滿足要求，而貝塞爾濾波器由于截止特性相當(dāng)差（ltc1560-1對于截止頻率有要求），逆切比雪夫濾波器一般由橢圓形濾波器取代，所以先考慮前三種濾波器。切比雪夫型濾波器和橢圓形濾波器的相位特性和群延時特性不太好，雖然衰減較快，但是較容易失真。本設(shè)計要求截止頻率為1mhz，不是太高，采用巴特沃斯濾波器雖然衰減較慢，但是應(yīng)該可以在此頻率下達到要求，故優(yōu)先采用巴特沃斯濾波器，后又用切比雪夫濾波器與巴特沃斯的結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)切比雪夫濾波器波動太大

3、，遠遠超出了ltc1560的要求，而六階巴特沃斯濾波器與ltc1560的特性最相似，僅僅在0.9倍截止頻率時大于0.3db，但這是幾種設(shè)計中最理想的情況。2 低通濾波器參數(shù)設(shè)計設(shè)計模擬濾波器有兩種方式：采用濾波器設(shè)計軟件和手工方式設(shè)計。為了對各種情況的優(yōu)劣進行對比，先采用巴特沃斯設(shè)計，后采用切比雪夫設(shè)計，并且在兩種設(shè)計中，先用filterlab軟件設(shè)計，再用手工設(shè)計。ltc1560的指標(biāo)：通帶截止頻率：fc =1m通帶最大衰減：0.3db阻帶截止頻率：2.43mhz阻帶最小衰減：60db手工設(shè)計四階巴特沃斯濾波器的步驟如下（五階，六階方法一樣）：（1）選擇電容值，計算電阻r1，r2，r3，r4

4、的值。因為電阻值一般在幾百歐到幾百千歐以內(nèi)，所以由r=1/2*pi*fc*c,選擇電容為390pf,計算得電阻值為408歐。（2）選擇r5，r6，r7，r8的阻值。四階巴特沃斯濾波器的總的增益由兩部分組成a1=1.152，a2=2.235，因此總的通帶增益是a=a1*a2=2.575.為了減小偏置電流的影響，應(yīng)盡可能使加到運放的同相端對地的直流電阻與反相端對地的直流電阻基本相等。1+r5/r7=1.152,r5/r7=r1+r2，可以計算得到r5=1.06k,r7=6.9k.同樣可以計算出r6，r8的值為2.05k，1,65k.(3)因為要求的增益是1，所以可以在輸入端接一個電阻，以減小增益，

5、如上圖，其中a*r1/（r1+r9）=1，而r1/r9=r2=408，這樣算得的r1=1.05k,r9=0.67k.手工設(shè)計四階切比雪夫濾波器的步驟,這里采用的是查表法(五階六階設(shè)計原理一樣)。無論是巴特沃斯濾波器還是切比雪夫濾波器，電路形式是完全一樣的，只是參數(shù)不同。（1）選擇一個電容的標(biāo)稱值，用公式k=100/fc*c1,計算出k值。選擇c1=51pf,得k=1.96（2）從設(shè)計手冊查出c2=0.0027c1，和對應(yīng)于k= 1時的第一節(jié)電阻值r1=7.22k,r2=12.219k，第二節(jié)電阻值r1=2.994k,r2=5.050k,再將這些電阻值乘以k=1.96就得到設(shè)計濾波器所要求的實際

6、電阻值,第一節(jié)電阻r1=14.15k,r2=23.949k,第二節(jié)電阻r1=5.568k,r2=9.898k防止振蕩：接地線不合理或者電源的干擾，都會引起電路的振蕩?？梢圆扇∫韵麓胧海ǎ。ㄔ诋媝cb時）放大電路的輸入線與輸出線、交流電源線要分開走，不能平行走線，輸入走線愈長，愈容易引起干擾。（2）交流電源串入的干擾可以采用浮地方式來減小，就是將交流地線與直流地線分開，只有交流地線接大地，這樣可以避免交流干擾由公共地線串入。3電路結(jié)構(gòu)圖及spice仿真結(jié)果如下：（1）采用filterlab軟件進行巴特沃斯低通濾波器設(shè)計如下：四階低通濾波器電路圖如下：仿真結(jié)果如下：測量得1mhz（截止頻率）時

7、的輸出電壓為690.369mv,而輸入電壓為1v，所以有公式-20logvi/vo,得出此時的增益下降了3.2db,基本與理論上的3db相等。衰減速度分析：由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，即為2.43mhz，輸出電壓為28.339mv，算出的增益下降了30db,沒有達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為1.0959mv,計算得出的增益下降了59db，基本滿足ltc1560要求。0.55倍截止頻率時，電壓為0.991061v,下降了0.078db,0.9倍截止頻率時為0.703797v,下降了3db，均不滿足要求。五階低通濾波器結(jié)構(gòu)及電路仿真：仿真結(jié)果如下所示：

8、由上圖可知，截止頻率處的輸出電壓為671.410mv,計算出增益下降了大約3.46db。衰減情況分析：由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，輸出電壓為25.309mv，算出的增益下降了31.9db,沒有達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為281.249uv,計算得出的增益下降了71db，滿足ltc1560的要求。0.55倍截止頻率時，電壓為1.0108v,上升了0.097db,0.9倍截止頻率時為0.678430v,下降了3.3db，均不滿足要求。六階低通濾波器電路及仿真：仿真結(jié)果如下：測量得1mhz（截止頻率）時的輸出電壓為682.216mv,而輸入電壓為1v，

9、所以有公式-20logvi/vo,得出此時的增益下降了3.3db,基本與理論上的3db相等。由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，輸出電壓為15.529mv，算出的增益下降了36db,沒有達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為107.063uv,計算得出的增益下降了79db，滿足ltc1560的要求。0.55倍截止頻率時，電壓為1.0115v,上升了0.097db,0.9倍截止頻率時為0.688895v,下降了3.2db，均不滿足要求。以上filterlab軟件設(shè)計的巴特沃斯低通濾波器均沒有達到要求?？紤]采用手工方式設(shè)計，主要是因為以上軟件設(shè)計的濾波器電阻都較小，而

10、設(shè)計濾波器時一般電阻都選擇在幾百歐到幾十千歐，所以我用手動方式設(shè)計了濾波器，發(fā)現(xiàn)結(jié)果更理想，并且所選擇的電阻值適中，還設(shè)計了匹配電阻，減小了偏置電流的影響。以下是手工設(shè)計的電路圖和電路仿真及結(jié)果分析。（2）手工方式進行設(shè)計結(jié)果如下：四階巴特沃斯低通濾波器電路圖仿真結(jié)果如下所示：由上圖可知，截止頻率處的輸出電壓為706.148mv,計算出增益下降了大約3.09db。衰減情況分析： 由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，輸出電壓為54.402mv，算出的增益下降了25db,沒有達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為1.1575mv,計算得出的增益下降了59db，不滿足l

11、tc1560的要求。0.55倍截止頻率時，電壓為0.989141v,下降了0.16db,滿足要求，但是0.9倍截止頻率時為0.767262v,下降了2.4db，不滿足要求。五階低通濾波器結(jié)構(gòu)及電路仿真：仿真結(jié)果如下：由上圖可知，截止頻率處的輸出電壓為688.320mv,計算出增益下降了大約3.2db。衰減情況分析： 由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，輸出電壓為28.695mv，算出的增益下降了30db,沒有達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為147.763uv,計算得出的增益下降了76db，滿足ltc1560的要求。0.55倍截止頻率時，電壓為0.989141

12、v,下降了0.15db,滿足要求，但是0.9倍截止頻率時為748.241mv,下降了2.5db,不滿足要求。六階低通濾波器電路及仿真：仿真結(jié)果如下：測量得1mhz（截止頻率）時的輸出電壓為682.216mv,而輸入電壓為1v，所以有公式-20logvi/vo,得出此時的增益下降了3.2db,基本與理論上的3db相等。衰減情況分析： 由上圖可知，在2.43倍截止頻率時，輸出電壓為15.826mv，算出的增益下降了56db,基本達到ltc1560的要求。在10倍截止頻率（10mhz）,輸出電壓為37.986uv,計算得出的增益下降了88db，滿足ltc1560的要求。0.55倍截止頻率時，電壓為0

13、.982291v,下降了0.17db,滿足要求，但是0.9倍截止頻率時為748.734mv,下降了2.5db。（3）用filterlab軟件進行六階切比雪夫低通濾波器設(shè)計如下：從以上結(jié)果可以看出，在截止頻率1m處，衰減遠大于0.3db,并且在通帶內(nèi)有很大的波動，約為2.5db,但是它的衰減比巴特沃斯濾波器要快，在1.78m時，幅值已經(jīng)接近于0了，衰減了55db。但是由于截至頻率約為770k左右，與1m相差太遠，并且電阻選擇太小，所以不采用這種方式。（4）手工設(shè)計六階切比雪夫低通濾波器設(shè)計如下：當(dāng)選擇的電容c1=100pf時， 由以上結(jié)果可知，在314.016k時出現(xiàn)一個峰值，上升了5db,當(dāng)下

14、降3db時，頻率只有468.524k，與理論上的截止頻率相差太遠。而在1m時，衰減到了4.9615mv,幾乎為0了，所以，此結(jié)果很不合理。當(dāng)選擇的電容c1=10pf時，由上可知，當(dāng)衰減3db時，截止頻率只有70.398k，與1m相差太遠，當(dāng)頻率為1m時，幅值只有37.961uv,基本上為0，所以此參數(shù)也不合理。經(jīng)過多次嘗試，設(shè)計的切比雪夫濾波器均不能滿足要求。綜上考慮，采用六階巴特沃斯濾波器所得到的特性曲線最符合要求。4 低通濾波器電路原理圖與pcb設(shè)計電路原理圖：從原理圖到pcb圖的完整步驟：1 建立一個項目工程2 建立一個原理圖文件3 進行原理圖環(huán)境設(shè)置4 畫原理圖5進行編譯6 生成網(wǎng)絡(luò)表7 保存8建立pcb文件9 進行pcb文件環(huán)境參數(shù)設(shè)置10 調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表，再excute11 對電路進行重新排列12 布線13 鋪銅14 存盤 畫原理圖注意事項：1 調(diào)入一個元件時，要注意三個參數(shù)：元件名，參數(shù)值，元件封裝都要進行設(shè)置2 有時會出現(xiàn)封