一種低頻有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)

1、一種低頻有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種低功耗低頻有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法。將低通濾波器和高通濾波器相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款頻帶寬度在100Hz-2000Hz左右的帶通濾波器。利用計(jì)算機(jī)軟件Multism12.0進(jìn)行理論設(shè)計(jì)仿真，通過參數(shù)掃描得到了一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明：輸入噪聲控制在1,頻帶范圍內(nèi)增益大約在13.5db,擺動(dòng)幅度在2db左右，輸出等電位時(shí)輸出的直流電壓漂移小于4，功耗大約為0.8W。關(guān)鍵字：低功耗 有源濾波器 帶通濾波器 Multism12.0 1 引言濾波器是一種具有將特定頻率選擇通過或者抑制的電路，它能使我們需要的頻率信號(hào)通過，于此同時(shí)抑制(或衰減)無用的

2、傳送頻率信號(hào)。實(shí)際工程中常用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、信號(hào)的處理和抑制干擾等。目前在聲吶、測(cè)控、通信、儀器儀表、航空船舶、醫(yī)療中等到了廣泛的應(yīng)用1。隨著科技的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了各種各樣的濾波器，有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。對(duì)于各種濾波器的頻率特點(diǎn)而言，可將濾波器分為考爾(Cauar)型、切比雪夫(Chebyshev)型、巴特沃斯(Butterworth)型及貝塞爾(Bessel)型2。其中帶通濾波器的應(yīng)用最為廣泛，而且人們對(duì)產(chǎn)品性能和便攜式提出了更高的要求。帶通濾波器作為被廣泛應(yīng)用的一種濾波器，對(duì)于其性能提出了更高的要求，迫切要求采用低電壓模擬電路來降低功耗，低電壓、低

3、功耗的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)日益成為人們研究的熱點(diǎn)問題。從能源角度來考慮，低功耗不僅是電池驅(qū)動(dòng)便攜式設(shè)備的迫切需要，而且也是大型設(shè)備的需求3。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法功耗比較大，而且噪聲干擾明顯，通帶內(nèi)抖動(dòng)幅度大，濾波效果不理想，功耗較大，本次設(shè)計(jì)我們探究一種高性能，低功耗的有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)，意旨在為工程設(shè)計(jì)方案作出參考。2 濾波器的定型與設(shè)計(jì)2.1 濾波器的定型基于我們研究對(duì)象本次設(shè)計(jì)選用OPA4227PA運(yùn)算放大器，OPA4227PA運(yùn)放具有超低諧波失真、低噪聲、高增益帶寬等特點(diǎn)。低噪聲能達(dá)到，帶寬逼近，共模抑制比為，工作電壓范圍為低功耗。2.2 整體設(shè)計(jì)方案圖1整體設(shè)計(jì)由圖1整體設(shè)計(jì)可知，輸入信號(hào)經(jīng)

4、過濾波器將無用的信號(hào)濾出，通過低通濾波器和高通濾波器形成帶通濾波器，將需要的信號(hào)提取出來，然后經(jīng)兩級(jí)反向放大器正向輸出。在設(shè)計(jì)過程中需要考慮約爾遜噪聲、頻帶寬度、截止頻率、電源濾波等參數(shù)的影響，分別對(duì)基本概念介紹如下：2.2.1約爾遜噪聲約爾遜噪聲由帶電電子或電荷的載流子在導(dǎo)體中不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴性。電阻R發(fā)生的噪聲有效值由奈奎斯特公式表示： (1)4-2式中K為玻爾茲曼常數(shù)()，T為絕對(duì)溫度(K)，R為電阻值()，B為測(cè)量帶寬(Hz)。從頻率到之間的噪聲電壓為: (1)2.2.2截止頻率當(dāng)電路中輸入信號(hào)的幅度保持不變的情況下，改變輸入頻率使輸出信號(hào)幅值降至最大值的0.707倍

5、，或某一特殊額定值時(shí)該頻率稱為截止頻率6。以此說明電路頻率特性指標(biāo)。在放大電路,高頻端和低頻各自有一截止頻率，分別稱為上截止頻率和下截止頻率。兩個(gè)截止頻率之間的頻率范圍稱為通頻帶。RC濾波器截止頻率的計(jì)算公式: (2)式中，為回路的時(shí)間常數(shù)，低/高通電路的幅值及相角公式： (3) (4)式(3)為低通的幅值相角公式，式(4)為高通的幅值相角公式，式中為輸入頻率，為低頻截止頻率，為高頻截止頻率，n階濾波器的傳遞函數(shù)5：式中分母系數(shù)參數(shù)決定了不同形式的濾波特性。2.3低/高通濾波器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中我們?cè)贠P放大器前端選用三階有源濾波器，因?yàn)榭紤]到功率消耗的影響，后端選擇三階無源濾波器，一階或者二階

6、濾波器不能將所需要的信號(hào)完整的提取出來，因此考慮三階濾波器，在工程實(shí)際應(yīng)用中，濾波器的設(shè)計(jì)最多達(dá)到三級(jí)，超過三級(jí)將會(huì)產(chǎn)生許多實(shí)際問題，例如毛刺現(xiàn)象、自激、電磁干擾等現(xiàn)象，而且也將會(huì)增加設(shè)計(jì)的難度，需要綜合考慮許多外界因素的影響。圖2 低通濾波器圖3高通濾波器3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析3.1實(shí)驗(yàn)所用儀器本實(shí)驗(yàn)所有頻率計(jì)AFG-2125，示波器GDS-3504，電壓源GPD-3303S，毫伏表RS-F520，萬用表VC9806，實(shí)驗(yàn)面包板。運(yùn)用Multism12.0進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果如圖圖4 低頻波特圖從仿真結(jié)果可以看出在幅值下降到最大值的0.707時(shí)，低頻的截止頻率能夠到達(dá)3KHz左右，完全能夠到

7、達(dá)我們的設(shè)計(jì)要求，而且在低通濾波器中，通過性比較好，沒有出現(xiàn)毛刺或者大浮動(dòng)擺動(dòng)的情況，增益為-16dB左右，完全符合我們的要求。圖5 高頻波特圖 高頻波特圖的仿真結(jié)果可知頻帶的選擇性較好，頻帶范圍75Hz299KHz，完全能夠達(dá)到要求的100Hz2000Hz。通過性良好。而且頻帶內(nèi)的衰減小于2dB。圖6 帶通波特圖帶通波特圖為最終的仿真結(jié)果，從圖中可以看出通帶的頻率選擇范圍88Hz2.4KHz左右，而且通頻帶內(nèi)幅度擺動(dòng)在2dB之內(nèi)，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。搭建試驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如圖表1所示：表1 測(cè)試數(shù)據(jù)頻率(Hz)信號(hào)強(qiáng)度有效值（mV）輸出（mV）放大倍數(shù)增益(dB)501004

8、.60.046-26.747810035.40.354-9.0210010084.920.8492-1.4215610096.40.964-0.3220010097.450.9745-0.22250100100.941.00940.08313100104.41.0440.37400100107.251.07250.61438100107.851.07850.66558100108.141.08140.68625100107.71.0770.64875100105.671.05670.481000100105.441.05440.461250100108.011.08010.6717501001

9、17.11.1711.37200010095.690.9569-0.38223410064.110.6411-3.86281210021.70.217-13.27320010011.250.1125-18.98對(duì)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的實(shí)際測(cè)試帶通波形如圖7所示：圖7 實(shí)測(cè)波特圖 由圖7可知，試驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果表明頻帶的選擇范圍為50Hz2100Hz，頻帶內(nèi)的衰減在2dB左右，對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行功耗測(cè)量計(jì)算得到的功耗大約為0.8W，直流電壓漂移小于4mA。4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)的仿真電路與實(shí)際測(cè)試電路結(jié)果表明誤差精度滿足要求，而且濾波器的通帶能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，功耗低，頻帶的選擇性良好，具有較好的穩(wěn)定性的特征，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，所以非常適合在低頻信號(hào)技術(shù)的處理技術(shù)中應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 張亞，黃克平.有源模擬帶通濾波器的設(shè)計(jì)J .電子科技，2009(22) .2 美 D. E. 約翰森.濾波器理論導(dǎo)論M.顏紹書，李遠(yuǎn)文譯.北京.人民郵