有源低通濾波器原理

1、引言 濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置，常用于信號(hào) 處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運(yùn)放和無(wú)源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個(gè)截止頻率的信號(hào)無(wú)衰減地通過(guò)，而對(duì)其他頻率的信號(hào)有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來(lái)濾除高頻干擾信號(hào)。1但對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的實(shí)際選擇和調(diào)試的困難，采用普通實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法不僅解決不了上述問(wèn)題，還花費(fèi)大量時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，以至于設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，電路噪聲大等質(zhì)量問(wèn)題也不盡人意。因此，對(duì)有源低通濾波器的設(shè)計(jì)新方法探討，仍有積極的實(shí)際意義。2 隨著集成運(yùn)放的廣泛應(yīng)用,有源濾波器的應(yīng)用更為

2、廣泛 ,因此有源濾波器性能的分析和電路設(shè)計(jì)就成為一個(gè)核心問(wèn)題 ,本文采用了先進(jìn)的Multisim 8 仿真軟件和歸一化方法結(jié)合設(shè)計(jì)出有源低通濾波器的電路，并對(duì)其性能進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仿真研究。1 Multisim 8 仿真軟件特點(diǎn)簡(jiǎn)介 Multisim 8 是早期的 Electronic Worbench(EWB)的升級(jí)換代的產(chǎn)品。早期的 EWB與 Multisim 8 在功能上不能同日而語(yǔ)。Multisim 8 提供了功能更強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì)界面，能 進(jìn)行射頻、PSPICE、VHEDL、MCU 等方面的仿真。Multisim 8 提供了更為方便的電路圖和文件管理功能。更重要的是，Mult

3、isim 8 使電路原理圖的仿真與完成PCB 設(shè)計(jì)的Ultiboard10 仿真軟件結(jié)合起來(lái)一起構(gòu)成新一代的 EWB 軟件，使電子線路的仿真與 PCB 的制作更為高效。通過(guò)將Multisim 8 電路仿真軟件和LabVIEW 測(cè)量軟件相集成，需要設(shè)計(jì)制作自定義PCB 的工程師能夠非常方便地比較仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)，規(guī)避設(shè)計(jì)上的反復(fù)，減少原型錯(cuò)誤并縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。熟練掌握Multisim 8 電路仿真軟件已成為當(dāng)今電子電路分析和設(shè)計(jì)人員所必需具備的基本技能之一。 2 有源低通濾波電路基本原理 2.1 有源低通濾波電路基本概念 濾波電路的作用就是允許某段頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而阻止或削弱其他頻率

4、范圍的信號(hào)。有源濾波電路由電阻、電容和集成運(yùn)算放大器組成，又稱為有源濾波器。有源濾波器能 夠在濾波的同時(shí)還能對(duì)信號(hào)起放大作用，這是無(wú)源濾波無(wú)法做到的。根據(jù)濾波電路通過(guò)或者 阻止信號(hào)頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過(guò)低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào)。2.2 有源低通濾波電路的組成和實(shí)驗(yàn)原理二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個(gè)RC 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成，電路如圖所示。 有源低通濾波二階電路圖（1）電路性能參數(shù)其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)： 其傳遞函數(shù)： 其中： Wo=1/RC 截止角頻率

5、，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。 不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過(guò)分析可知：當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達(dá)到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定 提升。如果Q =0.707 時(shí)，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q 0.707 時(shí),幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計(jì)電路圖參數(shù)。2.3有源低通濾波器的運(yùn)放運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運(yùn)放結(jié)構(gòu)不同，

6、但對(duì)于外部電路而言，其特性都是一樣的。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)，其中輸入級(jí)一般是采用差動(dòng)放大電路（抑制電源），中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級(jí)一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路（提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力）。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈

7、大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。）實(shí)際是有要求的。首先運(yùn)放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對(duì)電路中的實(shí)際電阻產(chǎn)生過(guò)大的影響 。其次運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器時(shí)，不考慮。但在仿真時(shí)，不同的運(yùn)放對(duì)濾波器的指標(biāo)還是有影響的。本次設(shè)計(jì)所用的運(yùn)放芯片為NE5532，其指標(biāo)如下：放大器數(shù)目:2 ，運(yùn)放類型:低噪聲 ，-3dB帶寬增益乘積:10MHz ，變化斜率:9V/s ，電源電壓 最小:3V ，電源電壓 最大:22V ，表面安

8、裝器件:表面安裝 ，封裝類型:SOIC 。實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的電源電壓為12V。針腳數(shù):8 ，工作溫度范圍:0C to +70C ，器件標(biāo)號(hào):5532 ，增益帶寬:10MHz ，工作溫度最低:0C ，工作溫度最高:70C ，放大器類型:Op Amp ，輸入偏移電壓 最大:4mV ，運(yùn)放特點(diǎn):Low Noise 3 電子電路設(shè)計(jì)的一般方法3.1 模擬電子電路的設(shè)計(jì)流程圖3.2 有源濾波器設(shè)計(jì)一般步驟 ：（1）提出有源濾波器的技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo),他可包括在通帶、阻帶上的幅度要求，相位要 求及其他需要的特性； （2）尋找合適的傳遞函數(shù)； （3）用實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)，通常有多種電路可實(shí)現(xiàn)該傳遞函數(shù)； （4）

9、對(duì)所得各個(gè)電路進(jìn)行各種性能分析，如容差分析，靈敏度分析； （5）選出能滿足所有要求的電路； （6）對(duì)選出的電路進(jìn)行優(yōu)化。3.3 巴特沃斯歸一化設(shè)計(jì)電路參數(shù)3.3.1巴特沃斯歸一化傳遞函數(shù)的分母表3.3.2參數(shù)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)有源二階低通濾波器，指標(biāo)為：截止頻率Fc=1kHZ; 通帶電壓放大倍數(shù)：Auo=2;在F=10Fc時(shí)，要求幅度衰減大于30dB。由圖可得為了減少輸入偏置電流及其漂移對(duì)電路的影響，應(yīng)使：R1+R2=R3/R4綜合以上等式可以求出：C1=C2=C=10/Fc(uF)=0.01Uf, 4 應(yīng)用Multisim 8 仿真軟件對(duì)有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真分析4.1 有源二階低通濾波器

10、的仿真輸入輸出波形幅頻特性曲線相頻特性曲線4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論分析Fc=1kHZ;Af=2;f=10fc時(shí)，幅度衰減大于30dB;分析:有源二階低通濾波器高頻段發(fā)生衰減時(shí)其曲線的斜率比較小，衰減的程度比較緩慢。因此，可以濾除高頻成分。 由圖可知，二階有源低通濾波電路的輸出波形滯后于輸入波形。測(cè)量輸入波形和輸出波形的幅值分別是1.438V和3.888V，計(jì)算得到電壓放大倍數(shù)為2。 二階有源低通濾波電路根據(jù)計(jì)算可得：二階有源低通濾波電路以-40dB/10 倍頻的幅度下降。它與一階有源低通濾波電路頻率特性相較可以看出，轉(zhuǎn)折區(qū)更陡峭，即特性更理想。4.3 實(shí)驗(yàn)板的測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算的數(shù)據(jù)很精確，但做板子時(shí)只能選用R1=11K,R2=22K,R3=R4=68K.C1=C2=10NF,芯