儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器

儀器電子技術(shù)

2010儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器預(yù)習(xí)第三章有源濾波電路濾波器參數(shù)濾波器傳遞函數(shù)濾波器逼近方法濾波器設(shè)計(jì)方法集成有源濾波器儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第三章有源濾波電路第一節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)一、濾波器的用途二、分類三、參數(shù)四、二階濾波器傳遞函數(shù)五、濾波器的逼近第二節(jié)RC有源濾波器電路第三節(jié)RC有源濾波器設(shè)計(jì)第四節(jié)開關(guān)電容濾波方法簡介第五節(jié)集成有源濾波器簡介第六節(jié)應(yīng)用舉例儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第一節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)

一、濾波器概念與用途具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，

具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能。儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器測量信號(hào)表面輪廓形狀誤差（準(zhǔn)直流）波度（低頻）表面粗糙度（中頻）噪聲（高頻）儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器二、分類頻率與功能特性：

低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）、帶阻（BEF）濾波、全通濾波器器件特點(diǎn)：

無源濾波器RLC濾波器、晶體濾波器、壓電陶瓷、聲表面波濾波器(SAW)、機(jī)械濾波器有源濾波RC有源濾波、開關(guān)電容濾波器(SCF)信號(hào)形式：

模擬濾波器、數(shù)字濾波器階數(shù)：1、2、3…….N

儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器三、參數(shù)c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()表示最大通帶衰減通帶角頻率阻帶最小衰減阻帶邊緣角頻率截止頻率固有頻率儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器1、特征頻率：①通帶截頻fp=wp/(2)為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。②阻帶截頻fr=wr/(2)為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。③轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2)為信號(hào)功率衰減到1/2(約3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。④固有頻率f0=w0/(2)為電路沒有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。2、增益與衰耗①對(duì)低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時(shí)的增益；高通指w→∞時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。③通帶增益變化量△Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。三、參數(shù)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對(duì)角頻率為w0信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評(píng)價(jià)帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，Q=w0/△w。式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，w0為中心頻率。4、靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對(duì)某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy，定義為：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個(gè)概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯(cuò)能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。5、群時(shí)延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，為保證輸出信號(hào)失真度不超過允許范圍，對(duì)其相頻特性∮(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)d∮(w)/dw評(píng)價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。群時(shí)延函數(shù)d∮(w)/dw越接近常數(shù)，信號(hào)相位失真越小。三、參數(shù)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器理想幅頻特性儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器四、二階濾波器傳遞函數(shù)二階傳輸函數(shù)低通帶通高通帶阻儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60a)幅頻特性α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°b)相頻特性低通儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器b)lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)20lgA/dB)lg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-40a)幅頻特性b)相頻特性高通儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器b)相頻特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBa)幅頻特性lg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=1000帶通儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)-40-6020lgA/dB0-1

-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(ω/ω0)/(°)a)幅頻特性b)相頻特性帶阻儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器五、濾波器逼近方法近似方法:1、巴特沃思近似2、切比雪夫近似3、貝塞爾近似理想濾波器要求幅頻特性A(w)在通帶內(nèi)為一常數(shù)，在阻帶內(nèi)為零，沒有過渡帶，還要求群延時(shí)函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量，這在物理上是無法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐中往往選擇適當(dāng)逼近方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)理想濾波器的最佳逼近。儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器1、巴特沃思近似幅頻函數(shù)傳遞函數(shù)例n=1s1=-1n=1,2,...n=2歸一化：儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器2、切比雪夫近似0.5db波紋n=1 S+2.863n=2 S2+1.425S+1.5161db波紋n=1 S+1.965n=2 S2+1.098S+1.103儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、貝塞爾近似n=1 S+1n=2 S2+3S+3En()貝塞爾濾波多項(xiàng)式儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器.三種方法特點(diǎn)巴特沃思：通帶內(nèi)幅頻曲線的幅度平坦，最平幅度逼近，相移與頻率的關(guān)系不是很線性的，階躍響應(yīng)有過沖。0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器切比雪夫： 下降最陡，但通帶之間幅頻曲線有波紋。貝塞爾： 相移和頻率之間有良好的線性關(guān)系，階躍響應(yīng)過沖小，但幅頻曲線的下降陡度較差。三種方法特點(diǎn)ω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω0246800.20.40.60.81.0t/t0213uo(t)/ui儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第二節(jié)RC有源濾波器電路一、一階RC有源低通濾波器二、一階RC有源高通濾波器三、壓控電壓源型濾波電路四、無限增益多路反饋型濾波電路五、雙二階環(huán)濾波電路儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器一、一階RC有源低通濾波器IT儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器二、一階有源高通濾波器傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器三、壓控電壓源型濾波電路該電路壓控增益Kf=1+R0/R

，傳遞函數(shù)為uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器1、低通濾波電路濾波器參數(shù)為∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器2、高通濾波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+N儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、帶通濾波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器4、帶阻濾波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N特點(diǎn)：調(diào)整方便易自激Q值較小儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器∞-++NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)四、無限增益多路反饋型濾波電路儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器1、低通濾波電路∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器2、高通濾波器∞-++NR2C1C3C2R1Ruo(t)ui(t)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、帶通濾波器∞-++NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)特點(diǎn)：調(diào)整不太方便穩(wěn)定對(duì)有源器件要求高Q值較小儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器1、低通與帶通濾波電路∞-++N1∞-++N2∞-++N3R1R0R2C1R3R4R5ui(t)C2u3(t)u2(t)u1(t)五、雙二階環(huán)濾波電路儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器2、可實(shí)現(xiàn)高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波電路∞-++N1∞-++N3∞-++N2∞-++N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1特點(diǎn)：調(diào)整方便穩(wěn)定Q值較高儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第三節(jié)RC有源濾波器設(shè)計(jì)方法：公式法圖表法快速設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)類比法儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器公式法確定傳遞函數(shù)逼近函數(shù)選擇階數(shù)確定經(jīng)驗(yàn)根據(jù)通帶增益、阻帶衰減、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、波紋特性確定選擇電路結(jié)構(gòu)選擇有源器件（增益、帶寬、噪聲和輸入輸出電阻）計(jì)算無源元件參數(shù)RC不能太大、太小C=100/F階數(shù)越大，要求RC精確儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器歸一化將濾波器設(shè)計(jì)歸結(jié)為截止頻率為1的低通濾波器的設(shè)計(jì),通過一定的規(guī)則把歸一化低通濾波器變換成實(shí)用的濾波器(圖表法)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器歸一化快速設(shè)計(jì)⑴在給定的fc下，參考下表選擇電容C1;⑵根據(jù)C1的實(shí)際值，按下式計(jì)算電阻換標(biāo)系數(shù)K;K=100/fcC1

⑶由表確定C2及歸一化電阻值ri，再換算出Ri。∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)f/Hz<100100~1000(1~10)k(10~100)k>100kC1/uF10~0.1

0.1~0.010.01~0.001(1000~100)×10-6(100~10)×10-6126103.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.18016.252

0.20.150.050.033儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第四節(jié)開關(guān)電容濾波方法簡介∞-++Nui(t)uo(t)C2R12a)ui(t)C2uo(t)∞-++N12C1V2V121b)Tc21c)∞-++N21C1uo(t)I1ui(t)C2d)C2∞-++Nuo(t)2I2e)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器MAX280/LTC1062五階零直流誤差低通濾波器單片集成通用有源濾波器MAX263/264MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器MAX291/MAX292/MAX295/MAX296八階低通開關(guān)電容濾波器MAX293/MAX294/MAX297八階低通橢圓型開關(guān)電容濾波器第五節(jié)集成有源濾波器簡介儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器第五節(jié)集成有源濾波器簡介1、單片集成五階巴特沃斯低通濾波器MAX280內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)RCRclkCclk(外部緩沖放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5v(33pF)內(nèi)部時(shí)鐘電路ui(t)儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器2、單片集成通用有源濾波器MAX263/264++∫++∫∞-++

分頻比編碼控制電路品質(zhì)因數(shù)編碼控制電路工作模式編碼控制電路S2S3S11S2S3qrrrr+?INGNDM0M1Q0~Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0~F4求和節(jié)點(diǎn)同相積分器S1N1N2同相積分器?N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1VˉGNDQ2Q3OSCOUT

F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器特性儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器應(yīng)用3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器A

BD

C

3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器內(nèi)部特性描述3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器儀器電子技術(shù)-第三章有源濾波器典型電路與響應(yīng)3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時(shí)間有源濾波器儀器電