濾波電路教程課件

1、單元任務：一階低通同相比例放大電路 1.濾波電路的應用2. 有源濾波電路3. 濾波電路的應用4. 集成運放在使用中的一些問題第五學習單元 集成運算放大器在信號處理方面的應用完成單元任務的理論基礎：5.1有源濾波電路5.2精密儀用放大電路5.3高精度整流電路5.4模擬乘法器5.5集成運放在使用中的一些問題第五學習單元 集成運算放大器在信號處理方面的應用5.1.1基本概念5.1.2一階低通濾波電路（LPF）5.1.3一階高通濾波電路（HPF）5.1.4高通濾波電路與低通濾波電路的對偶性5.1.5二階壓控電壓源低通濾波電路5.1.6二階壓控電壓源高通濾波電路5.1.7帶通濾波電路和帶阻濾波電路5.1

2、.8有源濾波電路中阻容元件參數(shù)的計算5.1.9開關電容濾波電路（SCF）5.1有源濾波電路一、濾波器的功能保留信號中所需頻段的成分,抑制其它頻段信號。二、濾波電路的分類1. 按信號性質分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器2. 按所用元件分類無源濾波器和有源濾波器3. 按電路功能分類: 4. 按階數(shù)分類: 一階，二階 高階低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器5.1.1基本概念無源濾波器由無源元件R、L、C組成。缺點1. 帶負載能力差。當RL變化時,輸出信號的幅值將隨之改變,濾波特性也隨之變化。有源濾波器三、無源濾波器和有源濾波器2. 無放大作用。由于R及C上有信號壓降,使輸出信號幅值下降。3.

3、過渡帶較寬，幅頻特性不理想，邊沿不陡。由有源器件集成運放和無源元件R、C組成。優(yōu)點：1. 不使用電感元件，體積小重量輕。2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構成高階濾波電路，無需考慮級間影響。3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調節(jié)。有源濾波器的缺點1. 不宜用于高頻。因為通用型集成運放的帶寬一般較窄。一般使用頻率在幾千赫以下。2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。3. 可靠性較差。4. 使用時需外接直流電源。四、濾波電路的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的定義濾波器傳遞函數(shù)：S = j分母中S 的冪次數(shù)稱為濾波器

4、的階數(shù)幅頻特性相頻特性四、四種功能濾波器的幅頻特性Aup0通帶阻帶實際理想(a)fHf|Au|低通理想實際阻帶通帶0fLf(b)|Au|Aup高通理想實際0f(c)|Au|AupfHfLf0帶通理想實際0f(d)|Au|AupfHfLf0帶阻通帶的電壓增益截止頻率四、四種功能濾波器的幅頻特性5.1.2一階低通濾波電路（LPF）RRFC+-+電壓跟隨器傳遞函數(shù)：通帶的電壓增益5.1.2一階低通濾波電路（LPF）RR1RFC+-+同相比例放大器傳遞函數(shù)：通帶電壓增益5.1.2一階低通濾波電路（LPF）RPR1RC+-+反相比例放大器傳遞函數(shù)：通帶電壓增益5.1.2一階低通濾波電路（LPF）幅頻特性

5、S=j=2f令則幅頻特性：低通截止頻率對數(shù)幅頻特性：缺點：一階低通有源濾波器在 f f H 時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為 -20 dB / 十倍頻。解決辦法：采用二階低通有源濾波器。5.1.3一階高通濾波電路（HPF）R1RF+-+R傳遞函數(shù)：通帶電壓增益幅頻特性S=j=2f令則幅頻特性：高通截止頻率對數(shù)幅頻特性：缺點：一階高通有源濾波器在 f f L 時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性上升速度為 +20 dB / 十倍頻。解決辦法：采用二階高通有源濾波器。RCR1RF+-+低通濾波器將低通濾波器中的R、C 對調，低通濾波器就變成了高通濾波器。R1RF+-+高通濾波器RC5.1.4

6、高通濾波電路與低通濾波電路的對偶性低通濾波器高通濾波器5.1.4高通濾波電路與低通濾波電路的對偶性5.1.5二階壓控電壓源低通濾波電路RR1RFC+-+CRuA傳遞函數(shù)：由上三式解出：5.1.5二階壓控電壓源低通濾波電路傳遞函數(shù)中出現(xiàn)f的二次項，故稱為二階濾波器。傳遞函數(shù)：式中Q稱為等效品質因數(shù)低通截止頻率要求Aup處于23之間5.1.5二階壓控電壓源低通濾波電路對數(shù)幅頻特性：輸入電壓經(jīng)過兩級 RC 低通電路，在高頻段，對數(shù)幅頻特性以 -40 dB /十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于理想情況。根據(jù)高通濾波電路與低通濾波電路的對偶性，得傳遞函數(shù)：要求Aup35.1.6二階壓控電壓源高通濾波

7、電路只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。低通高通fHfO低通ffLO高通fO阻通阻一、帶通濾波電路（BPF）構成5.1.7帶通濾波電路和帶阻濾波電路5.1.7帶通濾波電路和帶阻濾波電路R2=2RR3=R圖中式中中心頻率電路及傳輸函數(shù)二、帶阻濾波電路（BEF）阻止某一頻段內(nèi)的信號通過，在此頻帶以外的信號能順利通過。又稱陷波器。功能：構成：低通高通fO低通fHfLfO高通fO通阻通電路及傳輸函數(shù)式中通帶電壓 放大倍數(shù)中心頻率步驟：由fL或fH或中心頻率f0先選取C值(一般在幾百pF1F)確定R值(一般在幾K幾百K)根據(jù)Aup或Q值運放的同相和反相輸入端直流通道外接電阻平衡確定其他

8、元件參數(shù)5.1.8有源濾波電路中阻容元件參數(shù)的計算例 試確定二階壓控電壓源LPF的電阻和電容值，要求fn=1，Aup=2RR1RFC+-+CRuA解：先選取C=0.01F由得R1=RF=64KR1=RF=（13+51）K取開關電容濾波電路的工作原理u1T2T1C2C1u221+12TC充電放電1高電平2低電平T1導通T2截止u1向C1充電1低電平2高電平T1截止T2導通C1向C2放電特征頻率用工作于開關狀態(tài)的MOS管（構成電子開關）和小電容組成的開關電容來取代有源濾波電路中的電阻元件所構成的濾波電路稱為開關電容濾波電路概念：u1ReqC2u2+u1T2T1C2C1u221+等效基本電路特點：開

9、關電容MOS管T1、T2受時鐘信號1、2控制，導通或截止。5.1.9開關電容濾波電路（SCF）5.2.1概述5.2.2精密差分測量放大電路5.2精密儀用放大電路 第五章所述的由集成運放組成的基本放大電路，都把集成運放看作理想運放，但實際運放器件參數(shù)Aud、Rid、KCMR、BW等不可能為無窮大，Ro、UIO、IIO及溫漂等不可能為零。此外，電路的外接電阻器、電源的電壓等也會隨溫度而變，再有分布電容、分布電感、印刷電路板的絕緣介質存在漏電等，這些因數(shù)均會引起運放組成的放大電路運算誤差。為減小誤差，采用三個運放組成的精密差分測量放大電路5.2.1概述5.2.2精密差分測量放大電路R+VCCR1R3

10、+-+-+-+RtRRR2R2R3R3R3+10VA1A2A3A1、A2構成同相并聯(lián)差動放大器A3構成基本差動放大器測量電橋電橋平衡時，us1=us2，輸出uo=0。若Rt感受的溫度變化后，產(chǎn)生us1，輸出uo與us1成正比。高精度整流電路能實現(xiàn)微小信號的整流。 若uImaxUon ，則uO僅在大于Uon近似為uI，失真。5.3高精度整流電路電路圖中,V1、V2、Rf構成反饋網(wǎng)絡。ui從反相端輸入。當ui為正半周時,uo/為負值,由于集成運放的反相端為“虛地”點,V1導通,V2截止,則uo=0。當ui為負半周時,uo為正值,V1截止,V2導通。通過Rf的電流為uiR1,不難得出工作原理：波形傳

11、輸特性 集成運放的輸出電壓與二極管的閾值電壓無關,與輸入電壓成比例關系。電壓傳輸特性曲線是通過原點,斜率為RfR1的一條直線, 若RfR1,那么uo=-ui5.4.1模擬乘法器的基本電路及其工作原理5.4.2集成模擬乘法器的應用5.4模擬乘法器輸出電壓正比于兩個模擬輸入電壓之積功能：符號：uX(t)uY(t)uO(t)XYZ輸出輸入關系：uo(t) = KuX(t)uY(t)變跨導式模擬乘法器：是以恒流源式差動放大電路為基礎，采用變跨導的原理而形成。5.4.1模擬乘法器的基本電路及其工作原理變跨導式模擬乘法器的原理：恒流源式差分放大電路的輸出電壓為：當 IEQ 較小、電路參數(shù)對稱時，結論：uo

12、與uX 與I 的乘積成正比。壓控電流源當 uY uBE3 時，則即：變跨導式模擬乘法器的原理：跨導：改變輸入電壓uY即改變了I及其對應的跨導gm和uo。一、平方運算KuXuYuIuOXYZ二、正弦波倍頻電路如果：則：5.4.2集成模擬乘法器的應用三、 除法運算因為 i1 = i2 ，所以：則：四、 開方運算只有ui為負電壓時，才能進行開方運算。 將被測電路的電壓信號和電流信號分別接到乘法器的兩個輸入端，則輸出電壓即為被測電路的功率。五、 功率測量一、合理選用集成運放型號二、在使用集成運放時應了解引腳的功能三、集成運放的消振和調零為了提高集成運放的精度，消除因失調電壓和失調電流引起的，需要對集成運放進行調零。調零電位器5.5集成運放在使用中的一些問題輔助調零反相輸入調零同相輸入調零四、集成運放的保護措施電源端保護uoD1D2R+VCCVCC輸入端保護輸出端保護五、集成運放電路外接電阻值的選取 集成運放的外接電阻值盡可能配用幾千歐