电子系统设计模拟滤波器设计

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1、模拟滤波器设计,一、什么是滤波器? 对于信号的频率具有选择性的电路。,二、滤波器的功能: 使特定频率范围内的信号通过, 而阻止其它频率信号通过。,三、滤波电路的种类:,低通滤波器、高通滤波器 带通滤波器、带阻滤波器 全通滤波器,四、滤波器分类(按频率特性进行分类):,低通,高通,带通,带阻,传递函数:,幅频特性,相频特性,五、传递函数、幅频特性,例1:一阶RC低通无源低通滤波器,令,( ),幅频特性、幅频特性曲线,当0时,A(j )=1/2 =0.707 20log A(j )=20log 1/2 = -3dB,通频带宽度(带宽),带宽:0 - 0,02f0 f0=1/(2RC),一阶RC低通

2、无源滤波器的仿真图,一阶RC低通无源滤波器幅频特性曲线,f0159Hz,一阶RC低通无源滤波器带负载能力,负载RL,负载RL1k,令,对图(a)所示 RC串联电路,电阻电压对输入电压的转移电压比为,例2:一阶RC高通无源低通滤波器,将上式改写为,其中,波特图如图所示,该曲线表明图14-8(a)电路具有高通滤波特性。由此可见,当C时,曲线近乎一条平行于横坐标的直线,当C时,曲线趋近于一条直线,其斜率与20 dB/十倍频成比例。以上两条直线交点的坐标为(l,0dB),对应的频率C称为转折频率。,图 14-8,当=C时,20log|H(jC)|=-3dB,我们说此高通滤波电路的带宽从C 到。从图(c

3、)可见,该高通滤波电路的相移角度从90到0之间变化,当=C时,()=45。,图 14-8,一阶RC高通无源滤波器的仿真图,一阶RC低通无源滤波器幅频特性曲线,负载RL,负载RL 1k,练习,设计一带宽为100Hz40kHz的RC滤波器,计算过程?,频率特性曲线,图149(a)所示电路的相量模型如图149(b)所示。为求负载端开路时转移电压比 ,可外加电压源 ,列出结点3和结点2的方程:,图 14-9,例3:二阶RC滤波电路,消去 ,求得,其中,图 14-10,该电路的幅频和相频特性曲线,如图所示。幅频曲线表明该网络具有低通滤波特性,其转折频率C 可令式(1417) 求得,即,求解得到,上式表明

4、电路参数R、C与转折频率C之间的关系,它告诉我们可以用减少RC乘积的方法来增加滤波器的带宽,这类公式在设计实际滤波器时十分有用。 图14-10(b)所示相频特性表明该网络的移相角度在为0到-180之间变化。当=C时,(C)=-52.55。,图 14-10,用类似方法求出14-11(a)电路的转移电压比为,其幅频特性曲线如图14-11(b)所示。该网络具有高通滤波特性,其转折频率的公式为,图 14-11,该网络移相范围为180到0。 当=C时,|H(jC)|=0.707, (C)=52.55。 与一阶RC滤波电路相比,二阶RC滤波电路对通频带外信号的抑制能力更强,滤波效果更好。二阶 RC电路移相

5、范围为180,比一阶电路移相范围更大。二阶 RC滤波电路不仅能实现低通和高通滤波特性,还可实现带通滤波特性。,图 14-11,图1412(a)电路负载端开路时的转移电压比为,图 14-12,其幅频和相频特性曲线如图1412(b)和(c)所示。该网络具有带通滤波特性,其中心频率0=1/RC 。,RC滤波电路所实现的频率特性,也可由相应的RL电路来实现。在低频率应用的条件下,由于电容器比电感器价格低廉、性能更好,并有一系列量值的各类电容器可供选用,RC滤波器得到了更广泛的应用。,图 14-12,当=0时,|H(j0)|=1/3,(0)=0。该网络的移相范围为90到 -90。,1. 二阶RC低通滤波

6、电路,图 14-10,将以上三种二阶RC滤波电路的有关公式和曲线列举如下:,2. 二阶RC高通滤波电路,图 14-11,3. 二阶RC 带通滤波电路,图 14-12,1、带负载能力差。 2、无放大作用。 3、特性不理想,边沿不陡。,无源滤波电路的缺点,无源滤波器,无源滤波器:由无源器件R、C和L组成。 优点:设计简便。 缺点:通带为低频时,L体积和重量大;滤波效果不理想,边沿不陡;带载能力差;不能对信号放大。 有源滤波器:由无源器件R、C和运算放大器组成。 优点:滤波效果好;带载能力强(运放输出阻抗低);能提供一定增益。 缺点:设计较复杂,成本较高。,7.4.2 有源滤波器,1. 一阶有源低通

7、滤波器,传递函数中出现 的一次项,故称为一阶滤波器,相频特性:,幅频特性及幅频特性曲线,电路特点:,一阶有源滤波器的仿真图,一阶有源滤波器幅频特性曲线,两种二阶有源滤波器幅频特性比较,二阶有源滤波器1,两种二阶有源滤波器幅频特性比较,二阶有源滤波器2,二阶有源滤波器1,二阶有源滤波器2,2. 二阶有源低通滤波器,,Aup=1+R2/R1,传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器,二阶有源低通滤波器传递函数的标准形式,二阶有源滤波器的仿真图,R21k,R21.5k,Q1,Q2,R21.8k,R21.95k,Q5,Q20,Q1,Q2,Q5,Q20,不同Q值幅频特性曲线比较,一阶有源低通滤波器与二

8、阶有源低通滤波器 幅频特性比较,一阶有源低通滤波器,二阶有源低通滤波器,阶数越高, 幅频特性曲线越接近理想滤波器,Bessel,Chebyshev,Butterworth,巴特沃思、切比雪夫和贝塞尔三种类型 三阶低通滤波器幅频特性曲线比较,三种滤波器的特点,Bessel(贝塞尔滤波器)拥有最平坦的通频带和最缓的截止速率。 Chebyshev(切比雪夫滤波器)拥有最陡的截止速率,但通频带起伏较大。 Butterworth(巴特沃斯滤波器)的性能为前两者的折中,性能方面没有明显的缺点,得到广泛应用。,二阶有源高通滤波器的仿真图,二阶有源高通滤波器的幅频特性曲线,传递函数,传递函数的标准形式,有源带

9、通滤波器的仿真图,有源带通滤波器的幅频特性曲线,传递函数,传递函数的标准形式,通带宽度,有源带阻滤波器的仿真图,有源带阻滤波器的幅频特性曲线,传递函数,传递函数的标准形式,阻带宽度,有源全通滤波器的仿真图,幅频特性,相频特性,有源全通滤波器的仿真图,幅频特性,相频特性,有源滤波器的阶数与品质因素Q,若有源滤波器传递函数中分母的最高次数是n,则源滤波器即是n 阶的。从电路来看,有源滤波器中电容的数目也等于阶数。 品质因素Q,也称为滤波器的截止特性系数,Q值决定了滤波器在f=fc附近的频率特性。 二阶Sallen-Key(同相输入) ,其中放大倍数AUP=1+R2/R1,由于一般地,Q0,所以放大

10、倍数AUP3。,滤波器的电路结构,无限增益多重反馈滤波器(MFB)电路,滤波器的电路结构,电压控制电压源(Sallen-Key)电路,滤波器的电路结构,无限增益多重反馈滤波器(MFB) 反相滤波器 优点:Q值、截止频率对元器件改变的敏感度较低,增益大 缺点:输入阻抗低,增益精度不高 Sallen-Key型滤波器 同相滤波器 优点:输入阻抗高,增益精度高(增益设置与滤波电阻电容无关) 缺点:增益有限(一般地,二阶时,放大倍数3),典型滤波器的设计(4大要素),设计中的考虑原则,电路类型选择 MFB型和Sallen-Key各有优缺点,根据实际选用。设计通带较宽的带通滤波器时,可用低通和高通合成,这

11、样比带通滤波器好。 阶数选择 阶数越高,幅频特性曲线越接近理想滤波器。 运放的要求 输入信号较小(如100Gainfc 压摆率SR2VOPPfc (VOPP为输出信号电压峰峰值),六、实验内容及步骤,1.利用FilterPro设计语音信号滤波器 下面我们以语音信号低通滤波为例,介绍一下利用FilterRro设计RC有源滤波器的方法。,六、实验内容及步骤,设计要求: 设计一个RC有源低通滤波器, -3db( 20lg(Vo/Vi)=-3;Vo/Vi=0.707)截止频率20khz -45db(20lg(Vo/Vi)=-45;Vo/Vi=1/178) 频率100khz 下面是FilterPro的设

12、计步骤:,六、实验内容及步骤,低通,六、实验内容及步骤,-3db,20khz -45db,100khz 纹波增益1db 通带增益0db,六、实验内容及步骤,归一化函数:切比雪夫 1db,六、实验内容及步骤,反馈类型 :Sallen-key,六、实验内容及步骤,设计报告:3阶,切比雪夫1db低通,六、实验内容及步骤,幅频特性曲线,六、实验内容及步骤,2.利用TINA-TI优化设计高性能语音信号滤波器,六、实验内容及步骤,频域特性仿真设置,六、实验内容及步骤,频域特性仿真结果,-3db 22.01khz,-45db 90.48khz,六、实验内容及步骤,时域特性仿真设置,六、实验内容及步骤,时域仿

13、真结果,六、实验内容及步骤,3.实验验证,在面包板上,对电路进行实际验证,输入p-p值为2v的sin波,频率10-1Mhz,记录输出信号的波形及峰峰值,画出幅频特性曲线,描出-3db和-45db的截止频率。,TL084的vcc+和vcc-分别取:10v;,六、实验思考题,更高性能的滤波器设计,如-45db截止频率缩小至50Khz。,七、开关电容滤波器原理及应用,开关电容滤波器(Switched-Capacitor Filter,SCF)是利用开关电容网络和运放构成的滤波器。 开关电容网络通过MOSFET开关周期性地作用于MOS电容来模拟电阻。 开关电容滤波器可以提供稳定的截止频率或中心频率。,

14、七、开关电容滤波器原理及应用,开关电容滤波器的基本原理,开关电容由两个MOS开关和MOS电容组成。1和1是不重叠的两相时钟脉冲(该时钟脉冲的频率fs通常是输入信号v1(t)最高频率的50150倍),因此两只MOS管轮流导通。 开关电容能模拟成电阻:,七、开关电容滤波器原理及应用,开关电容能模拟成电阻: 开关电容相当于一个电阻。开关电容能模拟成电阻,解决了模拟集成电路制造中的一个关键问题。因为在集成电路制造过程中,电阻常常受到容差和热漂移所困扰,而且要占据昂贵的芯片面积。,七、开关电容滤波器原理及应用,开关电容积分器 用开关电容代替积分器中的电阻,七、开关电容滤波器原理及应用,将式(2.2-6)

15、代入式(2.2-8)可得: 结论: 电路中没有电阻。 特征频率0取决于电容比值。 特征频率0与时钟频率fS成比例。,七、开关电容滤波器原理及应用,开关电容滤波器,七、开关电容滤波器原理及应用,单片集成开关电容滤波器应用 单片集成滤波器大都是SCF。原因是它的时间常数取决于电容化集成工艺,可实现高精度和高稳定度的电容比。,七、开关电容滤波器原理及应用,单片集成开关电容滤波器应用,开关电容滤波器使用时基本不需要外接元件,另由于滤波截止频率与时钟频率有一定的比例关系,因此,滤波器的设计任务已简化到只需选择时钟频率。,七、开关电容滤波器原理及应用,TL14巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器 (1)低成本、

16、易用; (2)滤波器的截止频率取决于外部时钟频率; (3)截止频率范围从0.1Hz至30kHz。,七、开关电容滤波器原理及应用,TLC14截止频率fc取决于时钟频率fs, fc fs/100。 TLC14时钟信号可由内部振荡器产生,也可由外部产生。,七、开关电容滤波器原理及应用,表2.2-3为由TLC14实现截止频率为2.5kHz的低通滤波器的幅频特性。,七、开关电容滤波器原理及应用,TLC14典型应用,八、练习一 低通滤波器设计,设计一个有源低通滤波器,截止频率为100kHz(误差绝对值不大于10%),带外衰减不少于40dB/十倍频程。 采用FilterPro进行设计,采用Tina进行仿真。,八、练习二 正弦信号产生电路设计,

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