模电课程设计--有源带通滤波器

有源带通滤波器的设计与测试

1 滤波器的简介

在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工作信号，有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用是允许模拟输入信号中某一部分频率的信号通过，而阻断另一部分频率的信号通过。

1.1滤波器的发展历程

凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致了RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。

我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

1.2滤波器的分类

实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。因此，我们不必苛求这种“精确”分类，只是让大家了解滤波器的大体类型，有个总体概念就行了。滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种。

（1）按处理信号类型分类可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个树形结构。

（2）按选择物理量分类滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。

（3）按频率通带范围滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。

1.3有源滤波器的介绍

有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。

1965年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内。1974年产生了更高频的RC有源滤波器，使工作频率可达GB/4（GB为运放增益与带宽之积）。由于R的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了有源C滤波器：就是滤波器由C和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关。但它有一个主要问题：由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻（SR）去替代有源RC滤波器中的电阻R，就构成了SRC滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。

总之，由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%～30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。

2 有源带通滤波器的设计

带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。二阶压控型有源带通滤波器是由RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的要求。2.1有源带通滤波器的工作原理

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意：要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。典型的带通滤波器可以由RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的要求。二阶压控型有源带通滤波器原理框图如图2.1所示。

图2.1 二阶压控型有源带通滤波器原理框图

有源带通滤波器的具体电路如图2.2所示。由此电路可知，电阻R1与C组成低通滤波器，后面一个电容C与电阻R2组成高通滤波器，二者串联在一起组成带通滤波器。除此之外，R4与Rf组成同相比例运算电路，R3则是为改善电路性能而引入的反馈。

图2.2 有源带通滤波器电路图图2.3 幅频特性曲线

带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。其有较好的幅频特性，幅频特性曲线如图2.3所示。

2.2有源带通滤波器的参数计算

电路性能参数:

A uf ==1+

当C1=C2=C, R1=R3=R, R2=2R时，电路的传递函数:

A u(s)=A uf(s)……………………（1.1）

设中心频率f0 = ,电压放大倍数

A u = 错误！未指定书签。…………………（1.2）

当f=f0时，得出通带放大倍数

A up==QA uf ……………………………（1.3）

使式（1.2）分母的模为，即使式（1.2）的分母虚部的绝对值为1，即解方程取正根，就可得到下限截止频率f p1和上限截止频率f p2分别为

f p1=(3-Auf)]……………………（1.4）