RC有源带通滤波器的设计

题目 RC有源带通滤波器的设计科目现代电路理论

RC有源带通滤波器的设计

摘要

滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。

用LC网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而RC有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。本课题研究内容主要是用multisim软件设计仿真有源带通滤波器的二级级联和四级级联方式的电路。

关键词：集成运放；RC网络；multisim软件；有源带通滤波器

目录

摘要 (1)

目录 (2)

一本课题内容提要 (3)

二二级串联的带通滤波器 (3)

1 设计要求 (3)

2 基本原理 (3)

3 设计方案 (3)

4电路设计与参数计算 (3)

5 性能仿真分析 (5)

三四级串联的带通滤波电路 (7)

1 总体方框图 (7)

1.1 级数选择 (7)

1.2 元器件的选择 (7)

2 电路设计分析 (8)

四总结 (9)

参考文献........................................ 1错误！未定义书签。

一、本课题内容提要

滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。其优点：不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面；缺点为：但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器主要用于低频。根据对频率选择要求的不同，滤波器可分为低通、高通、带通与带阻四种。本课题采用低通-高通级联实现带通滤波器。

二、二级串联的带通滤波电路 1、设计要求

①性能指标要求：△f=3000Hz-300Hz=2700Hz; ②通带电压增益：Au=1； ③完成电路设计和调试过程。 2. 基本原理

带通滤波器(BPF)能通过规定范围的频率，这个频率范围就是电路的带宽BW ，滤波器的最大输出电压峰值出现在中心频率f0的频率点上。带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q 越高。电路的Q 值可用公式求出

BW

f Q 0

=

可见，高Q 值滤波器有窄的带宽，大的输出电压；反之低Q 值滤波器有较宽的带宽，势必输出电压较小。 3. 设计方案

采用低通-高通串联实现带通滤波器：将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再串联即得带通滤波器。

二阶巴特沃思滤波器的586.11=VF A ，因此，由二级串联的带通滤波电路的通带电压增益515.2)(21≈VF A ，由于通带电压增益：Au=1，因此在低通滤波器输入部分加了一个由8R 和9

R 组成的分压器。

4、电路设计与参数计算

元件的的参数选择和计算：在运放电路中的电阻不宜过大或过小。一般为几千欧至几十千欧较合适。

对于低通级，选取Ω=k R 2.8 ，由Hz f h 3000=和RC

f π21

=

可计算出电容

nF C 47.6≈，现选择标准电容值nF C 8.6≈，低通部分如图1所示：

对于高通级，也选取Ω=k R 2.8 ，由Hz f l 300=和RC

f π21

=

可计算出电容nF C 7.64≈，现选择标准电容值nF C 68≈，高通部分如图2所示：

考虑到已知道586.11=VF A ，同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端对地的直流电阻基本相等，选择Ω==k R R 47

，Ω=-==k R A R R 27)1(。

图1

_5%

_5%

二阶有源带通电路的高通部分

图2

信号源通过8R 和9

R 进行衰减，它的戴维宁电阻是8R 和9

R 的并联值，这个

电阻值等于低通级电阻Ω=k R 2.81。因此，

有

Ω≈+k R R R R 2.89

89

8

由于整个滤波电路通增益是电压分压器比值与滤波器部分增益的乘积，且应等于单位增益，故有

9898R R R R +21)(VF A =9

898R R R

R +∙1515.2=

联解式得Ω≈k R 208和Ω≈k R 3.139

5、性能仿真分析

按照理论图进行调试，波特图仪显示结果如图4：

图4 波特图仪显示结果

电路图中所用信号源为：V 1 kHz 4和V 5 Hz 60，经过滤波器这两种信号应都被滤除。示波器波形如图5：

图5 示波器波形

数字万用表的输出电压读数如图6：

图6 数字万用表的输出电压

三、四级串联的带通滤波电路

采用运放和RC元件构成带通滤波器，要求滤波频率范围300Hz~3KHz，带外抑制10dB或以上，带内纹波小于1dB，电压增益0.5~2。

1、总体方框图设计，如图7

图7 总体方框图

RC网络，在有源RC滤波器电路中，RC网络起着滤波的作用，它将使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号。它在波形的选取上起着至关重要的作用。RC网络由电阻R和电容C组成。

放大器，电路中运用同相放大器OP07，它具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点,因此广泛应用于前置放大级。此电路中的第一级的闭环增益为Avf=R3/R6.

反馈网络，在此电路的第一级中的R3和C6组成反馈网络。

1.1.级数选择

滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m /6(或 n大于等于m/20)。

1.2.元器件的选择

一般设计滤波器时都要给定截止频率fc（wc）带内增益Av，以及品质因素