第6章基于集成运算放大器的有源RC滤波器分析与设计.pptx
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西北工业大学电子信息学院电子信息学院第四章集成运放的应用有源RC滤波器模拟电子技术基础西北工业大学电子信息学院电子信息学院6.1滤波器基本原理滤波器基本原理6.3开关电容滤波器开关电容滤波器6.2有源有源滤波器滤波器6.4有源有源滤波电路总结滤波电路总结西北工业大学电子信息学院电子信息学院6.1滤波器基本原理滤波器基本原理一、一、滤波器的概念滤波器的概念四、无源滤波电路和有源滤波电路四、无源滤波电路和有源滤波电路三、三、滤波器的实现滤波器的实现二、二、滤波器的分类滤波器的分类西北工业大学电子信息学院电子信息学院一、一、滤波器的概念滤波器的概念滤波器:
有用频率信号通过、滤波器:
有用频率信号通过、无用频率信号被无用频率信号被抑制或衰减抑制或衰减滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时,有时,有其中其中模,幅频响应模,幅频响应相位角,相频响应相位角,相频响应西北工业大学电子信息学院电子信息学院二、二、滤波器的分类滤波器的分类1)低通滤波器)低通滤波器(LPF)通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带用幅频特性描述滤波特性,要研究用幅频特性描述滤波特性,要研究、(fP、过渡带下降、过渡带下降速率速率)。
西北工业大学电子信息学院电子信息学院2)高通滤波器)高通滤波器(HPF)3)带通滤波器)带通滤波器(BPF)4)带阻滤波器)带阻滤波器(BEF)5)全)全通滤波器(通滤波器(APF)阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换西北工业大学电子信息学院电子信息学院逼近函数实现逼近函数实现理想滤波器理想滤波器理想滤波器的幅频特性曲线在工程上是不可能实现的理想滤波器的幅频特性曲线在工程上是不可能实现的,工程实工程实际中多际中多采用采用物理物理可实现可实现函数逼近函数逼近理想滤波器的幅频特性曲线。
理想滤波器的幅频特性曲线。
和和b0,b1系数系数a0,a1决定了滤波器的类型决定了滤波器的类型三、滤波器的实现根据通带、阻带和过渡带的幅频响应特性根据通带、阻带和过渡带的幅频响应特性,滤波器可,滤波器可以分类为:
以分类为:
最平幅度滤波器(最平幅度滤波器(Butterworth滤波器),滤波器),通带等波纹滤波器(通带等波纹滤波器(Chebyshev滤波器),滤波器),阻带等波纹滤波器(阻带等波纹滤波器(InverseChebyshev滤波器),滤波器),通、阻带等波纹滤波器(椭圆函数滤波器)通、阻带等波纹滤波器(椭圆函数滤波器)线性相位滤波器(又称线性相位滤波器(又称Bessel滤波器)滤波器)西北工业大学电子信息学院电子信息学院1.巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器是一种最巴特沃斯滤波器是一种最平低通响应滤波器。
其特点是幅平低通响应滤波器。
其特点是幅频响应在通带内具有最平坦的幅频响应在通带内具有最平坦的幅度,由通带到阻带衰减陡度较缓,度,由通带到阻带衰减陡度较缓,相频特性具有非线性的特点。
相频特性具有非线性的特点。
切比雪夫滤波器是在通带切比雪夫滤波器是在通带内具有等纹波响应特性的滤波内具有等纹波响应特性的滤波器。
器。
2.切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器西北工业大学电子信息学院电子信息学院3.椭圆滤波器椭圆滤波器椭圆滤波器的特点是在通椭圆滤波器的特点是在通带和阻带中幅频特性都不是带和阻带中幅频特性都不是单调平滑的,但有最陡峭的单调平滑的,但有最陡峭的边界特性。
边界特性。
4.贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器贝贝塞尔滤波塞尔滤波器器是群是群延迟具有延迟具有最大平坦最大平坦(线(线性相位响应)特性性相位响应)特性的滤的滤波器波器,西北工业大学电子信息学院电子信息学院44)贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器在通频带范在通频带范围内围内,有近似的线性时延特,有近似的线性时延特性和较平坦的幅度特性,保性和较平坦的幅度特性,保证了信号处理的准确性及信证了信号处理的准确性及信号的无畸变传输,常用作音号的无畸变传输,常用作音频系统频系统ADC输入之前的抗混输入之前的抗混叠滤波器以及叠滤波器以及DAC输出输出端的端的平滑滤波器平滑滤波器。
5.不同滤波器的不同滤波器的对比对比11)巴特沃思滤波器)巴特沃思滤波器的幅频特性与相频特的幅频特性与相频特性都比较均衡,在实际中应用最广。
性都比较均衡,在实际中应用最广。
22)切比雪夫滤波器)切比雪夫滤波器相位响应相位响应较差。
用于较差。
用于对各频率分量的相对幅度要求较高而对各频率分量的相对幅度要求较高而对相对相位位关系要求不关系要求不严的信号处理,严的信号处理,如声音信号。
如声音信号。
33)椭圆椭圆滤波器滤波器在通带和阻带在通带和阻带等波纹。
相比其他类型的滤等波纹。
相比其他类型的滤波器,波器,在阶数相同条件下通在阶数相同条件下通带和阻带带和阻带的的波动波动最小最小。
西北工业大学电子信息学院电子信息学院空载时空载时带负载时带负载时四、无源滤波电路和有源滤波电路四、无源滤波电路和有源滤波电路负载变化,通带负载变化,通带放大倍数和截止频放大倍数和截止频率均变化。
率均变化。
1.无源滤波器(存在负载效应)无源滤波器(存在负载效应)西北工业大学电子信息学院电子信息学院无源无源滤波电路的滤波参数随负载滤波电路的滤波参数随负载变化;变化;不能提供增益,通常存在信号衰减;不能提供增益,通常存在信号衰减;无源无源滤波电路可用于高电压大电流,滤波电路可用于高电压大电流,如直流电源中的滤波电路如直流电源中的滤波电路;零零功耗;功耗;2.有源有源滤波电路滤波电路利用集成运放利用集成运放的高输入阻抗和的高输入阻抗和低输出阻抗避免低输出阻抗避免负载效应负载效应滤波滤波参数不随负载参数不随负载变化;变化;能提供增益;能提供增益;有源有源滤波电路是信号处理电路,滤波电路是信号处理电路,其输出电压和电流的大小受有源元其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。
件自身参数和供电电源的限制。
有源滤波电路优缺点:
有源滤波电路优缺点:
无源滤波电路优缺点:
无源滤波电路优缺点:
西北工业大学电子信息学院电子信息学院6.2有源有源滤波器滤波器一、低通滤波器一、低通滤波器二、高通、带通、带阻有源滤波器二、高通、带通、带阻有源滤波器西北工业大学电子信息学院电子信息学院一、低通滤波器(11)一阶电路)一阶电路1.同相输入低通滤波器同相输入低通滤波器传递函数传递函数:
分析方法:
电路引入了负反馈,具有分析方法:
电路引入了负反馈,具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的的特特点点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
西北工业大学电子信息学院电子信息学院为了使过渡带变窄,需采用多阶滤波器,即增加为了使过渡带变窄,需采用多阶滤波器,即增加RC环节。
环节。
频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频西北工业大学电子信息学院电子信息学院
(2)简单二阶)简单二阶LPFC1=C2=C西北工业大学电子信息学院电子信息学院(3)压控电压源二阶压控电压源二阶LPF传递函数传递函数式中式中分析方法:
电路引入分析方法:
电路引入了正反馈了正反馈,具有,具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。
正反馈正反馈西北工业大学电子信息学院电子信息学院对正弦对正弦稳态系统稳态系统
(1)Q值的大小对幅频特性在值的大小对幅频特性在附近的影响附近的影响较大;较大;
(2)当)当Q=0.578时,称为时,称为Bessel滤波器滤波器,低,低通特性单调下降且通带较通特性单调下降且通带较窄;窄;(3)当)当时,幅频特性曲线最平坦(时,幅频特性曲线最平坦(Butterworth););(4)当)当Q=0.943时,称为时,称为Chebyshev滤波器滤波器;(5)当)当时,电路将产生自激振荡。
时,电路将产生自激振荡。
后,特性曲线将出现峰值后,特性曲线将出现峰值,Q值越大,峰值越高;值越大,峰值越高;(6)当)当幅频响应特点:
幅频响应特点:
Q直接影响幅频响应特性直接影响幅频响应特性西北工业大学电子信息学院电子信息学院2.反相输入低通滤波器反相输入低通滤波器负负反反馈馈西北工业大学电子信息学院电子信息学院二、高通、带通、带阻有源二、高通、带通、带阻有源滤波器实现方式滤波器实现方式与与LPF有对偶性,将有对偶性,将LPF的电阻和电容互换,就可得一阶的电阻和电容互换,就可得一阶HPF、简、简单二阶单二阶HPF、压控电压源二阶、压控电压源二阶HPF电路。
电路。
1.高通滤波器(高通滤波器(HPF)对偶性对偶性西北工业大学电子信息学院电子信息学院OOO2.带通滤波器(带通滤波器(BPF)=特定条件特定条件下的低通下的低通与与高通的串联高通的串联3.带阻滤波器(带阻滤波器(BEF)=特定条件下的低通与高通特定条件下的低通与高通的并联求和的并联求和fHfLfHfL西北工业大学电子信息学院电子信息学院4.二二阶压阶压控控电压电压源型源型(Shallen-key)滤滤波器的波器的电电路路实现实现及工程及工程设计设计解得解得选取电阻和电容来代替选取电阻和电容来代替中相应的导纳可构成低通、中相应的导纳可构成低通、高通、带通等二阶有源滤波电路高通、带通等二阶有源滤波电路其中:
其中:
西北工业大学电子信息学院电子信息学院11)二)二阶低阶低通滤波电路通滤波电路传递函数传递函数式中式中西北工业大学电子信息学院电子信息学院22)二)二阶高通阶高通滤波电路滤波电路设设传输函数为传输函数为整理得整理得式中式中西北工业大学电子信息学院电子信息学院稳态响应稳态响应幅频响应幅频响应相频响应相频响应西北工业大学电子信息学院电子信息学院33)二)二阶带通滤波器阶带通滤波器设设其传输函数为其传输函数为西北工业大学电子信息学院电子信息学院稳态响应稳态响应幅频响应幅频响应相频响应相频响应西北工业大学电子信息学院电子信息学院6.3开关电容滤波器开关电容滤波器一、工作原理一、工作原理二、开关滤波电路应用二、开关滤波电路应用西北工业大学电子信息学院电子信息学院开关电容滤波器的主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻。
其最开关电容滤波器的主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻。
其最大优点是结构简单、制造方便、价格低廉、无需更换元件,只需改变时钟频率大优点是结构简单、制造方便、价格低廉、无需更换元件,只需改变时钟频率和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值。
值。
开关电容开关电容时钟脉冲时钟脉冲波形波形MOS管管和和起开关作用,起开关作用,和和分别由时钟脉冲分别由时钟脉冲和和来控制的,两相时钟脉冲来控制的,两相时钟脉冲和和互补。
互补。
一、工作原理西北工业大学电子信息学院电子信息学院3)从)从左到右左到右传输的的总电荷荷为1)当当时钟信号时钟信号为高电平时为高电平时,S1管导通管导通,S2管截止,电容管截止,电容C与与1-1端端接通,充电电荷为接通,充电电荷为2)当)当时钟信号时钟信号高电平时高电平时,S2管导通管导通,S1管截止,电容管截止,电容C与与2-2接通,接通,C放电,放电电荷放电,放电电荷等效等效电流流等效等效电阻阻西北工业大学电子信息学院电子信息学院开关电容网络有以下特点:
开关电容网络有以下特点:
(1)开关电容积分器的积分时常数只取决于)开关电容积分器的积分时常数只取决于“电容比电容比”,与与单个电容值单个电容值无关;无关;
(2)可通过改变时种频率来改变积分器时)可通过改变时种频率来改变积分器时常数;常数;(3)由开关、电容和运放组成的开关电容电路由开关、电容和运放组成的开关电容电路易于易于MOS集成集成工艺实现,不仅体积小、重量轻、功耗低,工艺实现,不仅体积小
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- 基于 集成 运算放大器 有源 RC 滤波器 分析 设计