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1、郑州交通职业学院毕 业 论 文论文题目：有源滤波电路的探讨 所属系别 机电工程系 专业班级 09大专机电2班 姓名 刁少坤 学号 200908030220208 指导教师 杨少沛 撰写日期 2012 年 5 月摘 要有源滤波可以由下列一些有源元件组成：运算放大器、频率变阻器(FDNR)、广义阻抗变换器(GIC)、负阻抗变换器(NIC)、正阻抗变换器(PIC)、负阻抗倒置器(NH)、正阻抗倒置器(PH)、四种受控源，另外，在理论上研究常用到还有病态元件极子和零子。有源滤波器在通信、信号处理、雷达、测试仪表、电力系统等各种电路系统中具有广泛的应用，是一类重要的信号处理电路模块，也是国内外微电子、电
2、路与系统学界研究的前沿课题。因此研究有源滤波电路的设计理论和实现具有一定的理论意义和很高的实用价值。本文主要探讨有源滤波电路的知识。 关键词：有源滤波，电路，探讨AbstractActive filter can be made by the following some active components: operational amplifier, the negative resistance, negative frequency rheostat (FDNR), generalized impedance transformer (GIC), negative impedance
3、transformer (NIC), are impedance transformer (PIC), negative impedance inversion device (NH), are impedance inversion (PH), the four controlled source, in addition, in theory research commonly used and pathological extremely the son and son zero components.Active filter in communication, signal proc
4、essing, radar, testing instruments, the power system of a circuit system has wide application, is a kind of important signal processing circuit module, but also domestic and international microelectronics circuits and systems, the field of study of new frontiers. So the active filter circuit design
5、theory and realize has certain theoretical meaning and high practical value.Key Words： Active filter, Circuits, Discuss目 录1 引言12 滤波电路发展概述12.1无源滤波器32.2有源滤波电路52.2.1有源滤波电路的发展52.2.2有源滤波电路的优缺点62.3有源集成滤波器73滤波电路设计的基本方法83.1直接法83.1.1级联设计83.1.2反馈设计93.2间接法93.2.1元件模拟93.2.2运算模拟94有源滤波电路受控电压源105总结10参考文献12致 谢13 1 引
6、言滤波器的应用领域非常广泛，除在通信领域大量应用外，还应用于人造卫星、自动控制、雷达、声纳及计算技术等领域中。从功能上来说，滤波器是一种能从含有很宽频率成分的信号中选出所需要的成分，并将不需要的成分衰减掉的电路。可利用它们来分开或组合不同的频率，如在变频器、倍频器以及多路通信中。滤波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。有时需要得到一定的相位(或时延)特性，如脉冲压缩或展宽，或补偿其他滤波器或色散结构(如一段波导)所产生的相位失真等，也需要滤波器。总之，从超长波经微波到光波以上的所有电磁波段，都需要滤波器。滤波器可是按几种方法来分类。例如，
7、模拟滤波器是用来处理模拟信号的，即信号是时间的连续函数，而数字滤波器则是用来处理数字化的连续波形。滤波器按其设计工作频段可分为集总元件设备或分布元件设备。按其使用的元件类型可分为无源滤波器和有源滤波器两大类。传统上无源滤波器主要用于高频，有LC滤波器、声表面滤波器、晶体滤波器等不同类型；有源滤波器则用于中低频段的滤波，其元件主要由有源器件(运算放大器、电流反馈放大器、晶体管和场效应管等)组成1。有关滤波器的理论和实际的设计方法也在不断地完善和更新。发展至今，早期古典式的LC电气滤波器已得到了很大的改进和提高。近年来，还出现了各种具有不同工作原理的新型滤波器。事实上，各种不同的滤波器也各有其长短
8、，从选用的角度来看，它们之间并不是相互竞争，而是相互补充的。本文主要探讨了有源滤波电路。2 滤波电路发展概述滤波电路是由电路元件相互连接构成的一种选频网络，它以某种规定的方式将输入信号变换成所要求的输出信号。这些信号既可以在时域中研究，也可以在频域中研究。与此相对应，滤波器的输出要求可用时间或者频率来描述。在后一种情况下，滤波器通常是一种具有频率选择作用的装置，它让某些频率的信号通过而使其他频率的信号受到阻塞或者衰减。从1915年德国的瓦格纳（Wagner）和美国的坎贝尔（Campbell）提出滤波器的概念以来，滤波器的发展取得了长足的进步，在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器的应用极为广泛
9、，所以对滤波器的研究和生产历来为各国所重视2。从电路元件的分立和集成的角度看，滤波器的发展经历了从全部分立到部分集成再到全部集成的历程。早期的无源RLC滤波器是全部分立元件的，由于电感的固有缺陷，如损耗大、体积大、非线性、易引入干扰噪声又难以集成实现等，因而，人们开始研究有源滤波器的实现方法。最早出现的有源滤波器可以追溯到1938年Scott的选择性放大器；1954年，Linvill用负阻抗变换器真正实现了第一个有源滤波器；1955年，Sallen和Key应用单放大器实现了有源RC滤波器，开辟了设计有源滤波器的技术途径；1965年，低成本的单片运放初步制作成功，使人们用有源技术模拟电感成为可能
10、，为有源RC滤波器的实现奠定了基础；20世纪70年代发展起来的混合集成电路技术把有源RC滤波器推向成熟，成为滤波器学科发展史上的重要里程碑。从此，滤波器的发展上了一个新台阶，并且开始朝着低功耗、小体积、多功能、高精度、稳定可靠和价格低廉的方向发展，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为20世纪70年代以后的主攻方向，导致了有源RC滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器等各种滤波器的设计技术飞速发展3。20世纪80年代以来，滤波器学科进入了全集成系统发展的时期。1983年，用MOS晶体管的线性区实现了压控电阻，建立了MOSFET-C全集成滤波器；1984年，用MOS VLSI技术实现了跨导电容（O
11、TA-C）滤波器，使OTA-C滤波器也焕发出了新的活力；1989年，用MOS晶体管和模拟开关构成了开关电流滤波器5；当代有源滤波器正朝着系统高度集成化、元件单一性、低电源和微功耗等方向发展。第一章绪论从滤波器的实现技术角度看，滤波器的发展经历了模拟数字模拟的道路。最早的滤波器是以模拟形式出现的，但是由于模拟集成电路设计的不准确性和非标准化以及数字信号处理技术的迅速发展和数字电路的模块化，使得数字滤波器最先得到发展。20世纪70年代中期，随着开关电容（Switched Capacitor简写为SC）理论的问世，开关滤波器（SC Filter）以更快的速度发展起来，同时也出现了各种各样的数字滤波器
12、（Digital Filter简写为DF）。开关电容滤波器和数字滤波器在处理连续时间信号时，都需要特殊的数字处理过程，如开关电容滤波器需要利用开关和电容组成的数据采样电路，数字滤波器需要有A/D和D/A电路。开关电容滤波器和数字滤波器虽然是集成滤波器，但是用于连续时间信号处理却有明显的不足，如由于混叠作用而降低了信道的信噪比、电路结构复杂、引入了量化噪声等。由于以上原因以及通信技术和计算机技术的发展需要，全集成有源滤波器的设计已成为电路与系统领域的研究热点之一，而系统的全集成化正是未来超大规模集成电路（VLSI）技术发展的目标和方向4。2.1无源滤波器根据使用的波段和元件的不同，滤波器有很多种
13、类，而且随着技术发展，种类还在不断增加。总的来说，滤波器可分为两大类：无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器中使用的是无源元件，即电阻、电容、电感等组成。它们在个体或组合的情况下，必须是谐振的，即能把一种形式的能量变换为另一种形式，并重新回到原来形式。如在一个LC谐振电路中，电容器的电场和电感线圈的磁场之间就不断发生着能量的反复交换。因此，如果两个不同的储能装置互相耦合时，就能够以很小的损耗实现能量的交换，它们就可以被利用为滤波器元件。无源滤波器在音频范围内使用电感会产生一些问题，这是因为电感本身就存在有电阻使得实际电感的阻抗总是要偏离它的理想值5。图2-1 实际电感模型如图2-1，电阻R越大，品
14、质因数越低，电感偏离其理想值就越远。为了减小滤波器特性的失真，一般都采用品质因数高的电感，然而，当频率低于1kHz时，高质量电感势必变的笨重而昂贵。因此，需要继续在实现电感小型化方面努力。无源滤波器大致可用到500MHz，其高频限制是由无源元件的寄生引起的。滤波器的灵敏度是比较各种实现优缺点的另一个重要标准。它是衡量由于环境变换而引起的元件变化造成的滤波器响应偏差大小的。无源实现的灵敏度比有源实现的灵敏度低的多。无源滤波器的另一个优点是不需要供给电源。2.1.1无源滤波器的分类无源滤波器主要包括以下几种：（1）LC滤波器。由电感和电容这两种参数元件组成。在许多应用中，可以假设它们是无耗的纯电抗
15、元件（Q=）。（2）晶体和陶瓷滤波器。LC滤波器的线圈Q值不可能做的很高，在高频段一般不超过200。当要求通带或过渡带很窄时，常采用石英晶体作为滤波器的谐振元件，它的Q值可高达10000至150000。（3）机械滤波器。这是谐振元件和耦合元件都是机械型的一种滤波器。在输入端，利用一个电压或磁致伸缩材料制作的换能器将电信号转换为机械震动，再由谐振元件和耦合元件构成的机械网络内部产生滤波效应。（4）分布参数滤波器。由于集总参数元件的尺寸必须远小于波长，所以当频率增高时，它们的尺寸必须不断的缩小。这样就使得Q值降低到不容许的程度。为了解决这个问题，当频率高于数十兆时，可以在滤波器中应用分别参数元件。这就是所说的分布参数滤波器。上述各种滤波器的Q值可达到数千。由于谐振频率主要决定于各振子的尺寸，所以有很好的温度稳定性6。2.1.2无源元件的选择为了实现预定的滤波器特性，需对各无源元件进行选择。影响滤波器特性变换的因素有：（1）近似函数本身的近似性；（2）实现近似函数的电路结构；（3）实现该电路的无源及有源元件。常用的有源元件为运算放大器及晶体管，以及由它们构成的各种有源元件，这将在下一
