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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,
