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1、第第1111章章 滤波器设计滤波器设计11.1 11.1 滤波器的设计基础滤波器的设计基础1.1.分贝分贝 首先，两个功率值可以通过下面的公式（首先，两个功率值可以通过下面的公式（11.1.111.1.1）进行比较。比值的单）进行比较。比值的单 （11.1.1） 1 1个贝尔的增益是电路中放大后与放大前的功率比值个贝尔的增益是电路中放大后与放大前的功率比值 （11.1.2）因而使用分贝来表示两个功率因而使用分贝来表示两个功率 , , 的比值，应的比值，应濾波器設計 如果如果 ，则此环节没有作增益或者衰减，则此环节没有作增益或者衰减，dBdB0 0。如果。如果 ，则此环节应，则此环节应作了增益，
2、作了增益，dB0dB0，分贝值为正。如果，分贝值为正。如果 ，则此环节应作了衰减，则此环节应作了衰减，dB0dB0，分，分贝值为负。贝值为负。 有一个非常典型的分贝值，往往在扬声器中使用这个功率点。如果两个功有一个非常典型的分贝值，往往在扬声器中使用这个功率点。如果两个功率仅是增加率仅是增加1 1倍的话，也就是倍的话，也就是 ，则用分贝表示为，则用分贝表示为 同样，也可以使用分贝来表示电压增益。对于纯电阻，功率可以表示为同样，也可以使用分贝来表示电压增益。对于纯电阻，功率可以表示为 （11.1.4）式中用下标式中用下标u u表示为电压增益，与功率增益区分开来。表示为电压增益，与功率增益区分开来
3、。濾波器設計 已知某系统电路的输入信号为已知某系统电路的输入信号为2mv2mv，输出电压为，输出电压为1.2V1.2V，请，请用分贝表示电压增益的大小。用分贝表示电压增益的大小。例例 1 1如果直接计算电压增益，则有。如果直接计算电压增益，则有。解：解：濾波器設計 上面的例题可以看出，用分贝（或说对数方式）计算电压增上面的例题可以看出，用分贝（或说对数方式）计算电压增益可以大大增加其变化的范围，这也是这种表示方法在工程上得益可以大大增加其变化的范围，这也是这种表示方法在工程上得到广泛应用的原因之一；另外一个显著的特点就是计算多级放大到广泛应用的原因之一；另外一个显著的特点就是计算多级放大电路的
4、总增益时，可将乘法化为加法进行运算。这是由对数的性电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算。这是由对数的性质决定的。质决定的。 在后续的课程中，分贝的应用非常普遍。比如在数字信号处在后续的课程中，分贝的应用非常普遍。比如在数字信号处理课程以及相关的通信领域都涉及分贝。在电子电路和自动控制理课程以及相关的通信领域都涉及分贝。在电子电路和自动控制系统的分析、设计中幅频特性曲线的纵坐标和横坐标常常采用对系统的分析、设计中幅频特性曲线的纵坐标和横坐标常常采用对数标尺，这种采用对数坐标的曲线图称为波特图。数标尺，这种采用对数坐标的曲线图称为波特图。 在滤波器的设计中需要学会使用波特图分析信号变化。在滤波
5、器的设计中需要学会使用波特图分析信号变化。濾波器設計2 滤波器的定义与分类滤波器的定义与分类 一般来说，滤波器可以分为两类：一般来说，滤波器可以分为两类：（1 1）无源滤波器）无源滤波器电路由电路由R R、L L、C C串联或并联构成；串联或并联构成；（2 2）有源滤波器）有源滤波器由有源器件，比如晶体管、运放，结由有源器件，比如晶体管、运放，结合合R R、L L、C C无源器件构成电路网络。无源器件构成电路网络。濾波器設計自自6060年代以来，集成运算放大器获得了迅速的发展。由集成运算放大器和年代以来，集成运算放大器获得了迅速的发展。由集成运算放大器和R R、C C组成的有源滤波电路，具有不
6、用电感、体积小、重量轻等特点。此外，由于集组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等特点。此外，由于集成运算放大器的开环增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路成运算放大器的开环增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。不过，因受运算放大器带宽的限制，这类后还具有一定的电压放大和缓冲作用。不过，因受运算放大器带宽的限制，这类滤波器目前还仅多应用于低频范围。根据频率范围可将其分为低通、高通、带通滤波器目前还仅多应用于低频范围。根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。四种滤波器的衰减特性如下图所示。与带阻等四种滤波器
7、。四种滤波器的衰减特性如下图所示。濾波器設計3 3 频率和阻抗的归一化频率和阻抗的归一化 滤波器在电子设备中的应用极其广泛，不同的设备对滤波器的要求相差很滤波器在电子设备中的应用极其广泛，不同的设备对滤波器的要求相差很大，有的要求工作频率高，有的要求工作频率低，负载阻抗也不一样，因此构大，有的要求工作频率高，有的要求工作频率低，负载阻抗也不一样，因此构成滤波器的各元件值的大小就有可能有相当大的差异。为了简化计算，通常先成滤波器的各元件值的大小就有可能有相当大的差异。为了简化计算，通常先将频率和阻抗（即元件将频率和阻抗（即元件R R、L L、C C的数值）归一化后再进行综合设计，待设计完的数值）
8、归一化后再进行综合设计，待设计完毕再将计算所得的滤波器的各参数还原成实际数值。毕再将计算所得的滤波器的各参数还原成实际数值。 归一化的频率归一化的频率 等于角频率等于角频率 除以截止频率除以截止频率 ，即，即 是无量纲的量，对应于截止频率时，是无量纲的量，对应于截止频率时， 。濾波器設計 归一化的阻抗归一化的阻抗 等于原阻抗等于原阻抗 除以基准电阻除以基准电阻 ，即，即 （11.1.1011.1.10）通过把负载电阻选取为基准电阻，这样各元件的归一化值如下：通过把负载电阻选取为基准电阻，这样各元件的归一化值如下：（1 1）电阻）电阻 的归一化值的归一化值 （11.1.11）显然，当电路的（输出
9、）电阻等于负载电阻，归一化值显然，当电路的（输出）电阻等于负载电阻，归一化值 。濾波器設計（2 2）电感）电感 归一化值归一化值 因为一定频率下，电感因为一定频率下，电感 的阻抗为的阻抗为 ，所以归一化值为所以归一化值为 为设计所需要的截止频率，为设计所需要的截止频率， 为上述的归一化频率，归一化电感为为上述的归一化频率，归一化电感为 （11.1.1211.1.12）（3 3）电容）电容 的归一化值为的归一化值为 。一定频率下，电容的阻抗为。一定频率下，电容的阻抗为则归一化后的阻抗为则归一化后的阻抗为归一化电容为归一化电容为 （11.1.1311.1.13）濾波器設計11.2.1 11.2.1
10、 巴特沃思逼近的概念巴特沃思逼近的概念 从信号处理要求出发，一个理想低通滤波器的幅频特性应如下面的右图所从信号处理要求出发，一个理想低通滤波器的幅频特性应如下面的右图所示，图中示，图中 ， 。11.2 11.2 有源滤波器有源滤波器该特性曲线表明低通滤波器允许信号中角频率低于该特性曲线表明低通滤波器允许信号中角频率低于 的分量毫无衰减地通过，而阻止的分量毫无衰减地通过，而阻止角频率高于角频率高于 的任何分量，使它们完全不通过，故称为的任何分量，使它们完全不通过，故称为截止（角）频率截止（角）频率，而以，而以0 0到的到的范围为通带，到的范围为阻带。但是实际上，没有任何一个线性非时变集总电路可以
11、范围为通带，到的范围为阻带。但是实际上，没有任何一个线性非时变集总电路可以实现这一理想特性。因为线性集总电路的转移函数总是的有理函数，故其模值应是的实现这一理想特性。因为线性集总电路的转移函数总是的有理函数，故其模值应是的连续函数，且不可能在任何频带上为常数，除非它在所有频率上均为常数。连续函数，且不可能在任何频带上为常数，除非它在所有频率上均为常数。濾波器設計 因此一个实际低通滤波器电路的电压转移函数的幅频特性只能以一定因此一个实际低通滤波器电路的电压转移函数的幅频特性只能以一定的精度近似于理想特性。设计过程的第一步是要找到一个可实现的电压转移的精度近似于理想特性。设计过程的第一步是要找到一
12、个可实现的电压转移函数，使它的幅度频率响应能满足设计所规定的要求，巴特沃思逼近就是获函数，使它的幅度频率响应能满足设计所规定的要求，巴特沃思逼近就是获得符合这种要求的转移函数的方法之一。除此之外，还有切比雪夫逼近，它得符合这种要求的转移函数的方法之一。除此之外，还有切比雪夫逼近，它的优点是如果在给定带内所允许的纹波差，可以改善其波动响应特性。的优点是如果在给定带内所允许的纹波差，可以改善其波动响应特性。濾波器設計下面的函数下面的函数 是一个是一个 阶巴特沃思函数阶巴特沃思函数它在它在 时，具有最大值，然后随时，具有最大值，然后随 趋于趋于 而趋于零。而趋于零。 不同，不同， 随随 的衰减情况也
13、不同。所谓巴特沃思逼近就是找到一个可实现的电压转移的衰减情况也不同。所谓巴特沃思逼近就是找到一个可实现的电压转移函数函数 ，当，当 时，有时，有 （11.2.1a11.2.1a）或或 （11.2.1b11.2.1b）满足这一要求的的一般形式为满足这一要求的的一般形式为 （11.2.211.2.2）濾波器設計下图绘出了 时的曲线。从图示曲线可见，当 时， 将趋于理想低通滤波器的幅频响应，这就是说，可以通过选择合适的 值，使之在任意精度内近似于理想低通滤波器幅频特性。濾波器設計确定一个归一化的巴特沃思低通滤波器的确定一个归一化的巴特沃思低通滤波器的例例11.2.1首先确定滤波器的阶数首先确定滤波器
14、的阶数 。按通带要求，有。按通带要求，有解：解：，使其满足下列要求：使其满足下列要求：（1 1）通带内）通带内 （2 2）阻带内）阻带内由此得由此得 ，故选，故选 。于是根据式（。于是根据式（11.2.211.2.2）和表（）和表（11.2.111.2.1）可得满足）可得满足设计要求的转移函数设计要求的转移函数由此得由此得 ，按阻带要求有，按阻带要求有濾波器設計11.2.2 11.2.2 有源二阶电路频率特性有源二阶电路频率特性 用一阶电路只能实现低通和高通频率特性。带通和带阻特性必须使用二用一阶电路只能实现低通和高通频率特性。带通和带阻特性必须使用二阶（或二阶以上）阶（或二阶以上）RLCRL
15、C无源或有源电路来实现。而用有源电路实现的二阶选无源或有源电路来实现。而用有源电路实现的二阶选频电路，可以避免使用电感元件，便于控制或提高频电路，可以避免使用电感元件，便于控制或提高Q Q值，实现传递函数的幅值，实现传递函数的幅度增益等。下面用例题来说明有源电路对二阶频率特性的实现。度增益等。下面用例题来说明有源电路对二阶频率特性的实现。濾波器設計(1)(1)先求出传递函数，用节点法列方程先求出传递函数，用节点法列方程下图为含受控源的二阶下图为含受控源的二阶RCRC电路，其中受控源代表增益为电路，其中受控源代表增益为 的运放电的运放电路。现在要证明其传递函数为低通特性，然后选择元件使电路的路。
16、现在要证明其传递函数为低通特性，然后选择元件使电路的Q Q5 5， 。例例11.2.2从中可解出从中可解出解：解：对比传递函数模型，可知这是一个二阶低通电路，其中对比传递函数模型，可知这是一个二阶低通电路，其中 。从。从电路上来看，当电路上来看，当 时，两个电容相当于开路，时，两个电容相当于开路， ，因此，因此， 即直流增益为即直流增益为 ；当；当 时，电容相当于短路，时，电容相当于短路， 。因此，对无穷大频率增益为。因此，对无穷大频率增益为0 0，这是低通幅度频响的特征。，这是低通幅度频响的特征。濾波器設計(2)(2)由于由于 ，即，即 ，取电阻，取电阻 ，则，则 ，根，根据据得得根据前面对
17、二阶低通频响的讨论，可以算出幅频特性有最大值，得根据前面对二阶低通频响的讨论，可以算出幅频特性有最大值，得因此，幅频曲线有一个因此，幅频曲线有一个5 5倍于通带增益的谐振峰值。倍于通带增益的谐振峰值。濾波器設計（1 1）在图（）在图（a a）中，运放与）中，运放与 组成一个电阻性同相放大器电组成一个电阻性同相放大器电路，其增益为路，其增益为 ，在，在s s域模型中，我们把这部分电路等效为一个受域模型中，我们把这部分电路等效为一个受控源，如图（控源，如图（b b）所示。对于图（）所示。对于图（b b）电路列出）电路列出s s域节点方程，找出域节点方程，找出 关系。关系。例例11.2.3下图（下图
18、（a a）为）为RCRC双双T T运放电路，试证明其运放电路，试证明其 关系为带阻滤波器。关系为带阻滤波器。选择电路元件参数，在输出中抑制选择电路元件参数，在输出中抑制 频率成分。要求频率成分。要求 。（a） （b）解：解：濾波器設計从中解出从中解出对比二阶带阻传递函数原型，可知其中对比二阶带阻传递函数原型，可知其中因此，因此， 时，时， ，信号被完全抑制。，信号被完全抑制。濾波器設計（2 2）要抑制信号的物理频率）要抑制信号的物理频率 ，因此要求，因此要求 。取取 ，则，则 。根据。根据Q Q值要求，值要求， ，得到，得到 。 在本电路中，通带增益在本电路中，通带增益 和和 值都与值都与 有
19、关，在满足有关，在满足Q Q值要求时，值要求时， 不不能独立取值，需要另加放大电路来满足实际增益要求。此外，本电路为三阶能独立取值，需要另加放大电路来满足实际增益要求。此外，本电路为三阶电路，但传递函数为二阶，原因是对电路，但传递函数为二阶，原因是对 输出端的传递函数出现零极点相消的输出端的传递函数出现零极点相消的特殊情况。这一点可将节点方程中特殊情况。这一点可将节点方程中 或或 解出来得到验证。解出来得到验证。濾波器設計11.3 11.3 滤波器的快速设计方法滤波器的快速设计方法 常用的逼近方法有巴特沃思（常用的逼近方法有巴特沃思（butterworthbutterworth）最大平坦响应和
20、切比雪夫）最大平坦响应和切比雪夫（chebysherchebysher）波动响应。在不允许带内有波动时，用巴特沃思响应较好。）波动响应。在不允许带内有波动时，用巴特沃思响应较好。如果给定带内所允许的纹波差，则用切比雪夫响应较好。本节主要介绍具如果给定带内所允许的纹波差，则用切比雪夫响应较好。本节主要介绍具有巴特沃思响应的二阶有巴特沃思响应的二阶RCRC有源滤波器的设计。有源滤波器的设计。濾波器設計一阶低通有源滤波器如下图（一阶低通有源滤波器如下图（a a），其传递函数为），其传递函数为（11.3.2） （11.3.1）截止角频率为截止角频率为 ，直流增益为，直流增益为 。一阶高通有源滤波器如下
21、图（一阶高通有源滤波器如下图（b b），其传递函数为），其传递函数为（a） （b）濾波器設計 二阶二阶RCRC滤波器的传输函数如书中表滤波器的传输函数如书中表11.3.111.3.1所示。其常用电路有电压所示。其常用电路有电压控制电压源（控制电压源（VCVSVCVS）电路和无限增益多路反馈（）电路和无限增益多路反馈（MFBMFB）电路。）电路。上图（上图（a a）所示电路为压控电压源电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很）所示电路为压控电压源电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路电压控制电
22、压源电路。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图（其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图（b b）所示电路为无限增益多路）所示电路为无限增益多路反馈电路，其中运放为反相输入，输出端通过形成两条反馈支路，故称反馈电路，其中运放为反相输入，输出端通过形成两条反馈支路，故称无无限增益多路反馈电路限增益多路反馈电路。其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益。其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，故应用范围比调节对其性能参数会有影响，故应用范围比VCVSVCVS电路要小。电路要小。（a） （b）濾波器設計下面以二阶有源滤波电路为例，来讨论电路参数的计算。下面以二阶有源
23、滤波电路为例，来讨论电路参数的计算。例例11.3.1已知截止频率已知截止频率 ，试选择和计算下图所示电路形式的巴特，试选择和计算下图所示电路形式的巴特沃思二阶低通滤波电路的参数。沃思二阶低通滤波电路的参数。濾波器設計通常通常C C的容量宜在数量级以下，的容量宜在数量级以下，R R的数值一般约为几百千欧的数值一般约为几百千欧以内。选择以内。选择C C0.047 0.047 ，则，则解解（1 1）选择电容器）选择电容器C C的容量，计算电阻的容量，计算电阻R R的阻值。的阻值。参看表参看表11.3.1中的低通滤波函数，并考虑中的低通滤波函数，并考虑3dB截止角频率截止角频率 ，则，则濾波器設計令令
24、并对照表并对照表11.2.111.2.1中中 的情况，的情况，有有由图可得到电路的传递函数为由图可得到电路的传递函数为由上式可知由上式可知（2 2）求值）求值考虑到运放两输入端的外接电阻必须满足平衡条件，即考虑到运放两输入端的外接电阻必须满足平衡条件，即 ，这样和这样和 联解，可得联解，可得 和和 。由于滤波器性能对元件的误差比较灵敏，电路宜选用稳定而精密的电阻器和电容器。濾波器設計例例11.3.2解解设计一个二阶无限增益多路反馈高通滤波器，要求截止设计一个二阶无限增益多路反馈高通滤波器，要求截止频率频率 增益增益首先根据图首先根据图11.3.2 11.3.2 二阶无限增益多路反馈低通滤波电路
25、，二阶无限增益多路反馈低通滤波电路， R R与与C C互换位置，可得到如下图所示的高通电路。互换位置，可得到如下图所示的高通电路。濾波器設計根据根据 ，选择电容，选择电容对应的参数对应的参数K=10 查设计表查设计表11.3.311.3.3得得 时，时， K=1时，电阻时，电阻 ，将上述电阻值乘以参数将上述电阻值乘以参数K=10K=10，得，得 取标称值取标称值 取标称值取标称值 濾波器設計 对电路参数进行实验测试，可以看到信号的增益低于理想值。在测高通滤对电路参数进行实验测试，可以看到信号的增益低于理想值。在测高通滤波器幅频特性时，应注意随着频率升高，信号发生器的输出幅度可能下降，波器幅频特
26、性时，应注意随着频率升高，信号发生器的输出幅度可能下降，从而出现滤波器的输入信号与输出信号同时下降的现象。这时应调整输入信从而出现滤波器的输入信号与输出信号同时下降的现象。这时应调整输入信号的幅度，使其输出保证原值不变。号的幅度，使其输出保证原值不变。濾波器設計例例11.3.311.3.3下图为含有下图为含有3 3个运放的个运放的Two-ThomasTwo-Thomas滤波电路，试求电压传递函数滤波电路，试求电压传递函数 和和 ，并给出滤波函数的，并给出滤波函数的 和和 的表达式。的表达式。解解运放运放A1A1及有关无源元件组成有损积分器，对及有关无源元件组成有损积分器，对A1A1反相端应用反
27、相端应用KCLKCL濾波器設計显然，显然， 为带通滤波器，而为带通滤波器，而 为低通滤波器。其中为低通滤波器。其中A2A2和和 ， 组成反相积分器，而组成反相积分器，而A3A3及两个电阻及两个电阻R R组成反相比例器，因此有组成反相比例器，因此有求解两式得：求解两式得：濾波器設計例例11.3.411.3.4用级联方法设计一有源用级联方法设计一有源RCRC电路，实现下式传递函数电路，实现下式传递函数解解设取设取 。 可用图（可用图（a）实现，其中）实现，其中根据题目要求， ，若取 ，比较有关系数，得可用sallenkey低通滤波电路实现，如图 (b)，其中由于 ，可取 。濾波器設計比较有关系数，得：比较有关系数，得： 将图中的两个电路级联，如图中虚线所示，则实现了题目中给定的传递函数。将图中的两个电路级联，如图中虚线所示，则实现了题目中给定的传递函数。这时这时（a） （b）濾波器設計致致 谢谢 本课件在制作过程中主要参考了如下有关电路课程的本课件在制作过程中主要参考了如下有关电路课程的PPTPPT课件课件, ,在此向相关课件的制作者表示衷心的感谢在此向相关课件的制作者表示衷心的感谢! !1. 1. 西安交通大学国家精品课程电路西安交通大学国家精品课程电路.2. 2. 上海交通大学国家精品课程基本电路理论上海交通大学国家精品课程基本电路理论.濾波器設計
