儀器電子技術-第三章有源濾波器課件

儀器電子技術呂勇lvyong@20101最新版整理ppt預習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計方法集成有源濾波器2最新版整理ppt第三章有源濾波電路第一節(jié)基礎知識一、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有源濾波器設計第四節(jié)開關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)應用舉例3最新版整理ppt第一節(jié)基礎知識

一、濾波器概念與用途具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，

具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。4最新版整理ppt測量信號表面輪廓形狀誤差（準直流）波度（低頻）表面粗糙度（中頻）噪聲（高頻）5最新版整理ppt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：

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)、機械濾波器有源濾波RC有源濾波、開關電容濾波器(SCF)信號形式：

模擬濾波器、數(shù)字濾波器階數(shù)：1、2、3…….N

6最新版整理ppt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7最新版整理ppt1、特征頻率：①通帶截頻fp=wp/(2)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。②阻帶截頻fr=wr/(2)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。③轉折頻率fc=wc/(2)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率，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，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。2、增益與衰耗①對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益；高通指w→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，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)8最新版整理ppt3、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標，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成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數(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)靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。5、群時延函數(shù)當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性∮(w)也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數(shù)d∮(w)/dw評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)d∮(w)/dw越接近常數(shù)，信號相位失真越小。三、參數(shù)9最新版整理ppt理想幅頻特性10最新版整理ppt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11最新版整理ppt20lgA/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12最新版整理pptb)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13最新版整理pptb)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14最新版整理ppt01-20Q=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15最新版整理ppt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，還要求群延時函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量，這在物理上是無法實現(xiàn)的。實踐中往往選擇適當逼近方法，實現(xiàn)對理想濾波器的最佳逼近。16最新版整理ppt1、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：17最新版整理ppt2、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+1.10318最新版整理ppt3、貝塞爾近似n=1 S+1n=2 S2+3S+3En()貝塞爾濾波多項式19最新版整理ppt.三種方法特點巴特沃思：通帶內(nèi)幅頻曲線的幅度平坦，最平幅度逼近，相移與頻率的關系不是很線性的，階躍響應有過沖。0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)20最新版整理ppt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系，階躍響應過沖小，但幅頻曲線的下降陡度較差。三種方法特點ω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω0

246800.20.40.60.81.0t/t0213uo(t)/ui21最新版整理ppt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22最新版整理ppt一、一階RC有源低通濾波器IT23最新版整理ppt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|24最新版整理ppt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)∞+-+N25最新版整理ppt1、低通濾波電路濾波器參數(shù)為∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R126最新版整理ppt2、高通濾波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+N27最新版整理ppt3、帶通濾波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N28最新版整理ppt4、帶阻濾波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N特點：調(diào)整方便易自激Q值較小29最新版整理ppt∞-++NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)四、無限增益多路反饋型濾波電路30最新版整理ppt1、低通濾波電路∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)31最新版整理ppt2、高通濾波器∞-++NR2C1C3C2R1Ruo(t)ui(t)32最新版整理ppt3、帶通濾波器∞-++NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)特點：調(diào)整不太方便穩(wěn)定對有源器件要求高Q值較小33最新版整理ppt1、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34最新版整理ppt2、可實現(xiàn)高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C235最新版整理ppt3、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：調(diào)整方便穩(wěn)定Q值較高36最新版整理ppt第三節(jié)RC有源濾波器設計方法：公式法圖表法快速設計計算機輔助設計類比法37最新版整理ppt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構選擇有源器件（增益、帶寬、噪聲和輸入輸出電阻）計算無源元件參數(shù)RC不能太大、太小C=100/F階數(shù)越大，要求RC精確38最新版整理ppt歸一化將濾波器設計歸結為截止頻率為1的低通濾波器的設計,通過一定的規(guī)則把歸一化低通濾波器變換成實用的濾波器(圖表法)39最新版整理ppt歸一化快速設計⑴在給定的fc下，參考下表選擇電容C1;⑵根據(jù)C1的實際值，按下式計算電阻換標系數(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

0.20.150.050.03340最新版整理ppt第四節(jié)開關電容濾波方法簡介∞-++Nui(t)uo(t)C2R12a)ui(t)C2uo(t)∞-++N12C1V2V1

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1c)∞-++N21C1uo(t)I1ui(t)C2d)C2∞-++Nuo(t)2I2e)41最新版整理pptMAX280/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)時間有源濾波器MAX291/MAX292/MAX295/MAX296八階低通開關電容濾波器MAX293/MAX294/MAX297八階低通橢圓型開關電容濾波器第五節(jié)集成有源濾波器簡介42最新版整理ppt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)部開關電容網(wǎng)絡RCRclkCclk(外部緩沖放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5v(33pF)內(nèi)部時鐘電路ui(t)43最新版整理ppt2、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S2S3S11S2S3

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F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA44最新版整理ppt3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時間有源濾波器特性45最新版整理ppt應用3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時間有源濾波器46最新版整理pptA

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3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時間有源濾波器47最新版整理ppt內(nèi)部特性描述3、MAX274/MAX275四階和八階連續(xù)時間有源濾波器48最新版整理ppt3、MAX274/MAX275四階和