滤波电路教程课件

滤波波电路路pptppt教程教程n5.1有源滤波电路n5.2精密仪用放大电路n5.3高精度整流电路n5.4模拟乘法器n5.5集成运放在使用中的一些问题第五学第五学习单元元 集成运算放大器在信号集成运算放大器在信号处理方面的理方面的应用用n5.1.1基本概念n5.1.2一阶低通滤波电路（LPF）n5.1.3一阶高通滤波电路（HPF）n5.1.4高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性n5.1.5二阶压控电压源低通滤波电路n5.1.6二阶压控电压源高通滤波电路n5.1.7带通滤波电路和带阻滤波电路n5.1.8有源滤波电路中阻容元件参数的计算n5.1.9开关电容滤波电路（SCF）5.1有源有源滤波波电路路一、一、滤波器的功能波器的功能保留信号中所需保留信号中所需频段的成分段的成分,抑制其它抑制其它频段段信号。信号。二、二、滤波波电路的分路的分类1.按信号性按信号性质分分类模模拟滤波器和数字波器和数字滤波器波器2.按所用元件分按所用元件分类无源无源滤波器和有源波器和有源滤波器波器3.按按电路功能分路功能分类:4.按按阶数分数分类:一一阶，二，二阶 高高阶低通低通滤波器；高通波器；高通滤波器；波器；带通通滤波器；波器；带阻阻滤波器波器5.1.1基本概念基本概念无源无源滤波器波器由无源元件由无源元件R、L、C组成成。缺点缺点1.带负载能力差。能力差。当当RL变化化时,输出信号的幅出信号的幅值将随之改将随之改变,滤波特性波特性也随之也随之变化。化。有源有源滤波器波器三、无源三、无源滤波器和有源波器和有源滤波器波器2.无放大作用。无放大作用。由于由于R及及C上有信号上有信号压降降,使使输出信号幅出信号幅值下降。下降。3.过渡渡带较宽，幅，幅频特性不理想特性不理想，边沿不沿不陡。陡。由有源器件集成运放和无源元件由有源器件集成运放和无源元件R、C组成成。优点：点：1.不使用不使用电感元件，体感元件，体积小重量小重量轻。2.有源有源滤波波电路中可加路中可加电压串串联负反反馈，使，使输入入电阻高、阻高、输出出电阻低，阻低，输入入输出之出之间具有良好的隔离。只需把几个低具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波波电路串起来就可构成高路串起来就可构成高阶滤波波电路，无需路，无需考考虑级间影响。影响。3.除除滤波外，波外，还可放大信号，放大倍数容易可放大信号，放大倍数容易调节。有源有源滤波器的缺点波器的缺点1.不宜用于高不宜用于高频。因因为通用型集成运放的通用型集成运放的带宽一般一般较窄。窄。一般使用一般使用频率在几千赫以下。率在几千赫以下。2.不宜在高不宜在高电压、大、大电流情况下使用。流情况下使用。3.可靠性可靠性较差。差。4.使用使用时需外接直流需外接直流电源。源。四、四、滤波波电路的路的传递函数函数传递函数的定函数的定义滤波波器器传递函数：函数：S=j分母中分母中S 的的幂次数称次数称为滤波器波器的的阶数数幅幅频特性特性相相频特性特性四、四种功能四、四种功能滤波器的幅波器的幅频特性特性Aup0通带阻带实际理想(a)fHf|Au|低通低通理想实际阻带通带0fLf(b)|Au|Aup高通高通理想实际0f(c)|Au|AupfHfLf0带通通理想实际0f(d)|Au|AupfHfLf0带阻阻通带的电压增益截止频率四、四种功能四、四种功能滤波器的幅波器的幅频特性特性5.1.2一一阶低通低通滤波波电路（路（LPF）RRFC+-+电压跟随器传递函数：函数：通通带的的电压增益增益5.1.2一一阶低通低通滤波波电路（路（LPF）RR1RFC+-+同相比例放大器传递函数：函数：通通带电压增益增益5.1.2一一阶低通低通滤波波电路（路（LPF）RPR1RC+-+反相比例放大器传递函数：函数：通通带电压增益增益5.1.2一一阶低通低通滤波波电路（路（LPF）幅幅频特性特性S=j=2f令令则幅幅频特性：特性：低通截止低通截止频率率对数幅数幅频特性：特性：缺缺点点：一一阶低低通通有有源源滤波波器器在在 f f H 时，滤波波特特性性不不理理想想。对数数幅幅频特性下降速度特性下降速度为-20 dB/十倍十倍频。解决解决办法：采用二法：采用二阶低通有源低通有源滤波器。波器。5.1.3一一阶高通高通滤波波电路（路（HPF）R1RF+-+R传递函数：函数：通通带电压增益增益幅幅频特性特性S=j=2f令令则幅幅频特性：特性：高通截止高通截止频率率对数幅数幅频特性：特性：缺缺点点：一一阶高高通通有有源源滤波波器器在在 f f L 时，滤波波特特性性不不理理想想。对数数幅幅频特特性性上上升升速速度度为+20 dB/十倍十倍频。解决解决办法：采用二法：采用二阶高通有源高通有源滤波器。波器。RCR1RF+-+低通低通滤波器波器将低通将低通滤波器中的波器中的R、C 对调，低通，低通滤波器就波器就变成了高通成了高通滤波器。波器。R1RF+-+高通高通滤波器波器RC5.1.4高通高通滤波波电路与低通路与低通滤波波电路的路的对偶性偶性低通低通滤波器波器高通高通滤波器波器5.1.4高通高通滤波波电路与低通路与低通滤波波电路的路的对偶性偶性5.1.5二二阶压控控电压源低通源低通滤波波电路路RR1RFC+-+CRuA传递函数：函数：由上三式解出：由上三式解出：5.1.5二二阶压控控电压源低通源低通滤波波电路路传递函数中出函数中出现f的二次的二次项，故称，故称为二二阶滤波器。波器。传递函数：函数：式中式中Q称称为等效品等效品质因数因数低通截止低通截止频率率要求要求Aup处于于23之之间5.1.5二二阶压控控电压源低通源低通滤波波电路路对数幅数幅频特性：特性：输入入电压经过两两级 RC 低低通通电路路，在在高高频段段，对数数幅幅频特特性性以以-40 dB/十十倍倍频的的速速度度下下降，使降，使滤波特性比波特性比较接近于理想情况。接近于理想情况。根据高通根据高通滤波波电路与低通路与低通滤波波电路的路的对偶性，得偶性，得传递函数：函数：要求要求Aup35.1.6二二阶压控控电压源高通源高通滤波波电路路只允只允许某一段某一段频带内的信号通内的信号通过，将此，将此频带以外的信号阻断。以外的信号阻断。低通低通高通高通fHfO低通低通ffLO高通高通fO阻阻通通阻阻一、一、带通通滤波波电路（路（BPF）构成构成5.1.7带通通滤波波电路和路和带阻阻滤波波电路路5.1.7带通通滤波波电路和路和带阻阻滤波波电路路R2=2RR3=R图中中式中式中中心中心频率率电路及路及传输函数函数二、二、带阻阻滤波波电路（路（BEF）阻阻止止某某一一频段段内内的的信信号号通通过，在在此此频带以以外外的的信信号号能能顺利通利通过。又称陷波器。又称陷波器。功能：功能：构成：构成：低通低通高通高通fO低通低通fHfLfO高通高通fO通阻通通阻通电路及路及传输函数函数式中式中通通带电压 放大放大倍数倍数中心中心频率率步步骤：由由fL或或fH或中心或中心频率率f0先先选取取C值(一般在几百一般在几百pF1F)确定确定R值(一般在几一般在几K几百几百K)根据根据Aup或或Q值运放的同相和反相运放的同相和反相输入端入端直流通道外接直流通道外接电阻平衡阻平衡确定其他元件参确定其他元件参数数5.1.8有源有源滤波波电路中阻容元件参数的路中阻容元件参数的计算算例例 试确定二确定二阶压控控电压源源LPF的的电阻和阻和电容容值，要求，要求fn=1，Aup=2RR1RFC+-+CRuA解：解：先先选取取C=0.01F由由得得R1=RF=64KR1=RF=（13+51）K取取开关开关电容容滤波波电路的工作原理路的工作原理u1T2T1C2C1u221+12TC充充电放放电1高电平2低电平T1导通T2截止u1向C1充电1低电平2高电平T1截止T2导通C1向C2放电特征频率用工作于开关状用工作于开关状态的的MOS管（构成管（构成电子开关）和小子开关）和小电容容组成的开关成的开关电容来取代有源容来取代有源滤波波电路中的路中的电阻元件所构成的阻元件所构成的滤波波电路称路称为开关开关电容容滤波波电路路概念：概念：u1ReqC2u2+u1T2T1C2C1u221+等效等效基本基本电路路特点：特点：开关电容MOS管T1、T2受时钟信号1、2控制，导通或截止。5.1.9开关开关电容容滤波波电路（路（SCF）n5.2.1概述n5.2.2精密差分测量放大电路5.2精密精密仪用放大用放大电路路 第五章所述的由集成运放第五章所述的由集成运放组成的基本放大成的基本放大电路，都把集成运放看作理想运放，但路，都把集成运放看作理想运放，但实际运放器件参数运放器件参数Aud、Rid、KCMR、BW等不可能等不可能为无无穷大，大，Ro、UIO、IIO及温漂等不可能及温漂等不可能为零。零。此外，此外，电路的外接路的外接电阻器、阻器、电源的源的电压等也会随温度而等也会随温度而变，再有分布，再有分布电容、分布容、分布电感、印感、印刷刷电路板的路板的绝缘介介质存在漏存在漏电等，等，这些因数均会引起运放些因数均会引起运放组成的放大成的放大电路运算路运算误差。差。为减小减小误差，采用三个运放差，采用三个运放组成的精密差分成的精密差分测量放大量放大电路路5.2.1概述概述5.2.2精密差分精密差分测量放大量放大电路路R+VCCR1R3+-+-+-+RtRRR2R2R3R3R3+10VA1A2A3A1、A2构成同相并构成同相并联差差动放放大器大器A3构成基本差构成基本差动放放大器大器测量电桥电桥平衡平衡时，us1=us2，输出出uo=0。若若Rt感受的温度感受的温度变化后，化后，产生生us1，输出出uo与与us1成正比。成正比。高精度整流高精度整流电路能路能实现微小信号的整流。微小信号的整流。若若uImaxUon，则uO仅在大于在大于Uon近近似似为uI，失真。，失真。5.3高精度整流高精度整流电路路电路路图中,V1、V2、Rf构成反馈网络。ui从反相端输入。当ui为正半周时,uo/为负值,由于集成运放的反相端为“虚地”点,V1导通,V2截止,则uo=0。当ui为负半周时,uo为正值,V1截止,V2导通。通过Rf的电流为uiR1,不难得出工作原理：工作原理：波形波形传输特性特性 集集成成运运放放的的输出出电压与与二二极极管管的的阈值电压无无关关,与与输入入电压成成比比例例关关系系。电压传输特特性性曲曲线是是通通过原原点点,斜率斜率为RfR1的一条直的一条直线,若若RfR1,那么那么uo=-uin5.4.1模拟乘法器的基本电路及其工作原理n5.4.2集成模拟乘法器的应用5.4模模拟乘法器乘法器输出出电压正比于两个模正比于两个模拟输入入电压之之积功能：功能：符号：符号：uX(t)uY(t)uO(t)XYZ输出出输入关系：入关系：uo(t)=KuX(t)uY(t)变跨跨导式模式模拟乘法器：是以恒流源式差乘法器：是以恒流源式差动放大放大电路路为基基础，采用，采用变跨跨导的原理而形成。的原理而形成。5.4.1模模拟乘法器的基本乘法器的基本电路及其工作原理路及其工作原理变跨跨导式模式模拟乘法器的原理：乘法器的原理：恒流源式差分放大恒流源式差分放大电路的路的输出出电压为：当当 IEQ 较小、小、电路参数路参数对称称时，结论：uo与与uX 与与I 的乘的乘积成正比。成正比。压控控电流源流源当当 uY uBE3 时，则即：即：变跨跨导式模式模拟乘法器的原理：乘法器的原理：跨跨导：改改变输入入电压uY即改即改变了了I及其及其对应的跨的跨导gm和和uo。一、平方运算一、平方运算KuXuYuIuOXYZ二、正弦波倍二、正弦波倍频电路路如果：如果：则：5.4.2集成模集成模拟乘法器的乘法器的应用用三、三、除法运算除法运算因因为 i1=i2，所以：，所以：则：四、四、开方运算开方运算只有只有ui为负电压时，才能，才能进行开行开方运算。方运算。将将被被测电路路的的电压信信号号和和电流流信信号号分分别接接到到乘乘法法器器的的两两个个输入入端端，则输出出电压即即为被被测电路的功率。路的功率。五、五、功率功率测量量一、合理一、合理选用集成运放型号用集成运放型号二、在使用集成运放二、在使用集成运放时应了解引脚的功能了解引脚的功能三、集成运放的消振和三、集成运放的消振和调零零为了提高集成运放的精度，消除因失调电压和失调电流引起的，需要对集成运放进行调零。调零零电位器位器5.5集成运放在使用中的一些集成运放在使用中的一些问题辅助助调零零反相反相输入入调零零同相同相输入入调零零四、集成运放的保四、集成运放的保护措施措施电源端保源端保护uoD1D2R+VCCVCC输入端保入端保护输出端保出端保护五、集成运放五、集成运放电路外接路外接电阻阻值的的选取取 集成运放的外接电阻值尽可能配用几千欧至几百千欧之间。六、六、输出出电流和流和输出功率的出功率的扩展展 除了采用大电流、大功率的专用型集成运放以外，对一般运放在输出端外接BJT组成的电压跟随器或外接互补型功率放大电路。七、集成运放七、集成运放电路在路在调试过程中程中应注意的注意的问题1电极接地端子应可靠接地。2应再切断电源情况下更换元器件。3在加信号前应先进行消振和调零。若器件内部有补偿网络，不需再消振。4当输出端信号出现干扰时，应采用抗干扰措施或加有源滤波器消除之。谢谢！谢谢！