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1、模拟电子电路及技术基础,孙 肖 子,西安电子科技大学,模拟电子电路与技术基础课程的特点是 “概念性、工程性、实践性“强！,“注重物理概念，采用工程观点；重视实验技术，善于总结对比；理论联系实际，注意应用背景；寻求内在规律，增强抽象能力。”,6.1 滤波器的概念,滤波器是一种实现频率选择的信号处理电路。,按其幅频特性可分为低通、高通、带通、带阻和全通五种电路。,滤波电路的模型,电压传递函数,6.1.1 滤波器的特性,有源滤波器优点,1输入阻抗高，输出阻抗低，输入、输出之间具有优良的隔离性能,所以各级之间均无阻抗匹配的要求； 2由于不使用电感，体积和重量大幅度减小； 3在低频段及超低频段的滤波功能
2、上，具有LC滤波器无法比拟的优越性，低端截止频率甚至可以扩展到 Hz,如果使用电位器、可变电容器，有源滤波器的频率精度可以达到0.5%；,4在通频带内传递函数的系数可以灵活调整,易于制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器，且调整容易； 5、设计有源滤波器比设计LC滤波器更具灵活性，也可得到电压增益。,五种常用滤波器特性,(a)低通滤波器 (b)高通滤波器 (c)带通滤波器 (d)带阻滤波器 (e)全通滤波器,6.1.2 理想滤波器的逼近方法,理想滤波器的幅频特性曲线在工程上是不可能实现的，一可取的可实现方法是采用物理可实现函数来逼近这个传输特性，,常用的逼近理想特性的可实现函数最平幅度滤波器（
3、Butterworth滤波器），通带等波纹滤波器（Chebyshev滤波器），阻带等波纹滤波器（Inverse Chebyshev滤波器），通、阻带等波纹滤波器（椭圆函数滤波器）线性相位滤波器（又称Bessel 滤波器）,波器的传输函数,巴特沃斯滤波器,巴特沃斯滤波器是一种最平低通响应滤波器。其特点是幅频响应在通带内具有最平坦的幅度，由通带到阻带衰减陡度较缓，相频特性具有非线性的特点。,切比雪夫滤波器是在通带内具有等纹波响应特性的滤波器,2.切比雪夫滤波器,3. 椭圆滤波器,椭圆滤波器的特点是在通带和阻带中幅频特性都不是单调平滑的，但有最陡峭的边界特性。,4. 贝塞尔滤波器,贝塞尔滤波器是群延
4、迟具有最大平坦（线性相位响应）特性的滤波器,巴特沃思滤波器的幅频特性与相频特性都比较均衡，在实际中应用最广。切比雪夫滤波器的相位响应较差。因此当主要着眼于传输对各频率分量的相对幅度要求较高而对它们的相位关系要求不严的信号（例如声音信号）时，可选用切比雪夫滤波器。若所传输的是图象，情况将完全相反。这时要求有线性的相频特性而对幅度的某些变化则不作苛求。为此，应选择以逼近相频特性为侧重点的贝塞尔近似函数。,6.1.3二阶滤波器的传递函数,：,传输函数的分子、分母都是s的二次多项式的滤波器叫双二次滤波器。其传输函数可表示为,1.二阶低通滤波器,2.二阶高通滤波器,二阶高通滤波器的传输函数,3. 二阶带
5、通滤波器,传输函数,4.二阶带阻滤波器,：,传输函数为,5、二阶全通滤波器,二阶全通滤波器的传输函数,62 一阶有源RC滤波器的电路实现,6.2.1 无源滤波电路,无负载负载时,带虚线所示负载时,通带的电压放大倍数为,截止频率,6.2.2 一阶有源低通滤波器,通带增益,上限频率,1）图（a）,2）图（b）,幅频特性,相频特性,63二阶有源RC滤波器的电路实现及工程设计,6.3.1 二阶压控电压源型（Shallen-key）滤波器的电路实现及工程设计,Shallen-key滤波器也称为有限增益正反馈滤波器，,解得,选取电阻和电容来代替,中相应的导纳可构成低通、,高通、带通等二阶有源滤波电路,列
6、方 程,、二阶有源低通滤波电路,设,构成右图所示的二阶有源低通滤波器,传递函数,式中,对于正弦稳态系统,；,（1）Q值的大小对幅频特性在,附近的影响较大,（2）当Q=0.578时，称为Bessel滤波器，低通特性单调下降且通带较窄,（3）当,时，幅频特性曲线最平坦（Butterworth）,（4）当Q=0.943时，称为Chebyshev滤波器，,（5）当,时，电路将产生自激振荡。,后，特性曲线将出现峰值，,Q值越大，峰值越高,（6）当,二、二阶有源高通滤波电路,设,则得到 Sallen-Key 二阶有源高通滤波器,传输函数为,整理得,式中,稳态响应,幅频响应,相频响应,三、二阶Sallen-
7、Key带通滤波器,设,得到二阶有源带通滤波电路,其传输函数为,整理得,稳态响应,幅频响应,相频响应,6.3.2二阶无限增益多路反馈(MFB)滤波器的电路实现及工程设计,列出节点方程,得,适当的选择,可构成低通、高通、带通和带阻滤波器,1.低通,设,就构成了二阶低通滤波器,传输函数,通带增益,中心频率,式中：,等效品质因数,，,，,2.高通,设,就构成二阶多路负反馈高波滤波器,传输函数,通带增益,中心频率,等效品质因数,3.带通,将,就构成二阶多路负反馈带通滤波器,传输函数,通带增益,中心频率,等效品质因数,6.3.3二阶带阻滤波器的电路实现及工程设计,1. 双T网络有源带阻滤波器,无源双T型电
8、路,等效电路,（1）无源RC双T网络的频率特性,双T网络的传递函数,稳态响应,式中,幅频特性,相频特性,相频特性,幅频特性,（2）有源双T带阻滤波器,传递函数,式中,稳态响应,：,带宽,双T有源带阻滤波器幅频特性,2. 用带通和相加器组成带阻滤波器,用带通和相加器组成带阻滤波器的框图,64多功能有源RC滤波器（状态变量滤波器）的工作原理与工程设计,6.4.1多功能有源RC滤波器（状态变量滤波器）的工作原理,二阶状态变量型有源滤波电路方框图,二阶状态变量型有源滤波电路的传递函数,传递函数,由图得：,二阶状态变量型有源滤波器,式中衰减系数,6.4.2集成多功能有源RC滤波器UFA42,UAF42集
9、成有源滤波器是精密运算放大器、精密电阻和精密电容集成在一起的滤波器件,可以实现高通(HP)、低通(LP)、带通(BP)和带阻(BR)滤波器,主要性能特点如下： 具有高通、低通、带通和带阻滤波器的设计功能； 有源滤波器的构成仅需要外加几只电阻； 共模抑制比：典型值为96dB； 开环增益；典型值为126dB， 工作电源：6V 18V，电流为6mA； 输入电压：典型值为11.5V； 最大负载电流：典型值为25mA； 中心频率为0100kHz。 片内电容为 1000pF 5%,，,UAF42AP同相输入原理框图,UAF42AP反相输入原理框图,FILTER42软件可在 http:/ 网址免费下载,65
10、一阶全通滤波器（移相器）的原理与工程设计方法,1、一阶移相滤波器(1),频率响应函数,幅频特性,相频特性,式中,2、一阶移相滤波器(2),频率响应函数,幅频特性,相频特性,，,式中,）,全通滤波电路相频特性（附加相移）,66 开关电容滤波器基本原理,开关电容滤波器的主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻。其最大优点是结构简单、制造方便、价格低廉、无需更换元件，只需改变时钟频率和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值，,6.6.1基本开关电容单元及等效电路,开关电容 等效电路 时钟脉冲波形 等效电阻,MOS管,和,起开关作用，,和,分别由时钟脉冲,和,来控制的，两相时钟脉冲
11、,和,互补。,从左到右传输的总电荷为,当时钟信号为高电平时，T1管导通，T2管截止，电容C与1-1端接通，充电电荷为,当时钟信号,高电平时，T2管导通，T1管截止，电容C与2-2,接通，C放电，放电电荷,等效电流,等效电阻,R越大，C值越小，所占集成电路面积将大大减小。 (2) R越大，时钟频率fc越低。但fc应远大于信号的最高频率。 (3) R与时钟脉冲占空比大小无关，为了使,重叠，占空比应略低于50%。,特点：,6.6.2开关电容积分器,为反相积分器，其传递函数表示为,图 (a),稳态频率响应,用开关电容代替电阻构成的开关电容积分器如图（b）,反相开关电容积分器,同相开关电容积分器,开关电容网络有以下特点：（1）开关电容积分器的积分时常数只取决于“电容比”，与单个电容值无关， （2）可通过改变时种频率来改变积分器时常数。 (3) 由开关、电容和运放组成的开关电容电路易于MOS集成工艺实现，不仅体积小、重量轻、功耗低，而且可实现生产自动化，低成本；(4) 利用开关连接不同电容的方法，可以实现程控滤波或自适应滤波(5) 集成度高，与数字电路工艺兼容,可在芯片上同时实现数字电路和模拟电路。,
