浅谈有源低通滤波器

浅谈有源低通滤波器摘 要: 在经济的发展中，电子行业起着举足轻重的作用，而低通低通滤波器作为其中一员，在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用。本文就对有源低通滤波器的原理、构成和应用设计进行阐述，进一步的理解低通滤波器。关键词：有源低通滤波器；RC网络；运算放大器；二阶电路引言滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，常用于信号处理、数据传输和干扰抑制等方面，有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。随着集成运放的广泛应用，有源滤波器的应用更为广泛，因此有源滤波器性能的分析和电路设计就成为一个核心问题。1 滤波器介绍滤波器（Filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。2 有源低通滤波器原理2.1 有源低通滤波电路概念和组成有源低通滤波器，一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用，这是无源滤波无法做到的。有源低通滤波电路能够通过低频信号，抑制或衰减高频信号。二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC 环节和同相比例放大电路构成，电路如图2.1所示。电路性能参数：其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：其传递函数：其中：Wo=1/RC 截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。图2.1 有源低通滤波二阶电路 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。图2.2.2 不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线通过分析可知：当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。而且在截止频率附近，有用信号也受到衰减。二阶压控有源低通滤波电路衰减可以达到40dB/倍频。而且在截止频率附近，有用信号可以得到一定 提升。如果Q =0.707 时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q 0.707 时,幅频特性将出现峰值。2.2有源低通滤波器的运放运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路，中间级一般采用有源负载的共射负载电路，输出级一般采用互补对称输出级电路。运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响。其次运放的开环增益AV0要足够大。但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源低通滤波器时，不考虑。3 应用设计有源低通滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。（2）选择具体的电路形式。（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。有源二阶低通滤波器电路如图2.3所示，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。图2.3 有源低通滤波器电路图在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ffc时（fc 为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。4 总结对于滤波器设计的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，采用普通设计方法不仅解决实际的需要，还花费大量时间和设计成本，以至于设计出的产品价格昂贵，电路噪声大等质量问题也不尽人意。因此，对有源低通滤波器的设计新方法探讨，仍有积极的实际意义。 - 3 -