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[图文]有源滤波器       ★★★ 【字体:
有源滤波器
作者:imefan    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2008-2-6    

 

一、滤波器的功能与分类

  电路功能:让某一频段的信号顺利通过,滤除其它频段的信号,所以它实际上是一种选频电路。

  在微弱信号测量中,滤波器是一个非常重要的电路,模拟滤波器几乎在各种信号处理中必不可少。下图中的信号是经过低通滤波器后的情况。

  经过低通滤波器的处理,大大地提高了电路中的信/噪比。

  滤波器的种类:从大类分:数字滤波器,模拟滤波器,本文介绍模拟滤波器。

  模拟滤波器:低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)等四种。它们的频率特性如下:

  上面都是理想的频率特性,在实际情况中,将采取各方面的技术和措施,使实际的频率特性向理想化接近。

  有源滤波器的分析过程和方法:利用电路原理中的节点电流法→电压增益的传递函数→s用代入求增益的复数表达式→画出频率特性→求滤波电路的各项指标:通带增益、滤波器的截止频率(中心频率)、品质因素、带宽等。

二、有源低通滤波器(LPF)

1. 有源低通滤波器的技术指标

通带增益:通频带内的电压放大倍数,对LPF讲,它是信号频率时的电压增益。

一个简单的二阶低通有源滤波器:

电路由二级无源RC低通滤波器加运放组成。

滤波效果由二级无源RC网络决定,运放提供增益以及提高带负载能力。

优点:负载不直接与RC网络联接,而通过高输入电阻,低输出电阻的运放连接,其RC网络的滤波性能不受负载的影响。电路除有滤波功能外,还有放大作用。

通带增益的计算:当f=0时 ,C1、C2可视作开路 ,所以电路是一个同相比例放大器,其通带增益为:

要分析它的滤波效果时,先求出电路增益的传递函数,根据电路原理有:

令C1=C2=C时,联立上述三个方程,解得该电路电压增益拉氏表示的传递函数如下:

通带截止频率求取:

将上式中s换成, 并令,则

根据截止频率的定义,当时,上式右边分母之模为 (上限频率对应的增益下降到中频时的0.707倍)

即:

解得:

由上式画出折线化幅频特性如图所示:

从波特图可知:二阶低通有源滤波器(LPF)在时,特性近似以-40dB/十倍频程斜率下降,比一阶下降快了。但还不够,还应进一步向理想逼近。

2. 二阶压控电压源LPF

  它与普通二阶低通有源滤波器不同的地方是C1电容不接地,而是连接到电路的输出端了。这样连的思路是:在f0附近形成一定的正反馈,使该点频率附近的特性起峰来改善滤波效果。

⑴ 通带增益

根据定义,它为时的电压增益。

⑵ 传递函数:,

节点1方程:

联立解后得传递函数:

式子说明,通带增益应小于3,否则系统将会不稳定。

⑶ 频率特性

将上式中s换成, 并令则。

比较该式与前面二阶低通滤波器频率特性,只是分母虚部的系数不同。所以,在f<<fo和f>>fo时,两式近似相等,只有在fo附近起峰。当f=fo时,增益的复数表达式为,

其模为

电路的品质因素,时的模与通带增益比,所以有。

表达式用Q联系后有。

由此画出的幅频特性为:

从波特图可知,它的滤波特性比普通的要好一些。

三、开关电容滤波器(SCF-Switched Capacitor Filters)

  这种滤波器是由开关电容网络构成的滤波器,是一种模拟滤波器的新器件。

⑴ 开关电容滤波器的基本电路

开关电容网络的基本结构与原理:电路两个节点间接有带高速开关的电容器,在开关的作用下,其效果相当于两个节点间连接的电阻。基本电路有下面两种:

对并联型电路,当开关接向1时,向C充电,充电电荷为;当开关接向2时,C向放电; 此时C上的电荷变化为,假定开关的频率很高,且,所以可以认为电容C的充放电是连续的,其电流也为连续 ,此时的平均电流为:

这电流与下图中的电流相等,因此,以很高的频率在和之间开关电容时,其两端相当于一只等效电阻Req,。

对串联型开关电容电路,当S接向1时,C被短路;当S接向2时,电容充电存贮电荷,所以,开关S在一周内,其平均电流及电路的作用效果与并联型电路完全相同,同样可以等效成一只电阻。在实际的电路中,开关由MOS管承担。所以,其基本的开关电容网络电路为:

⑵ 开关电容网络组成反相积分器

用串联型开关电容网络组成的反相积分器电路如图所示:

该电路的积分时间常数为:

由于时间常数决定于两电容比值,及开关频率,而电容值又可以精确控制,因此,时间常数可以精确控制。

2. 一阶低通开关电容滤波器(LPSCF)

用并联型开关电容网络组成的一阶低通开关电容滤波器如图所示:

电路的频率特性表达式为:

其中通带截止频率为:

而,

所以

最后可得:,电路的通带增益为:

从上面分析可知,它的通带增益和通带截止频率都与两只电容的比值有关。由于集成制造工艺水平的进步,增益和截止频率都能做得十分的精确和稳定。只要改变开关频率,就能方便地改变滤波频率。所以应用非常广泛。

文章录入:imefan    责任编辑:ImEfan 
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