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帶通有源濾波器的電路詳解

帶通有源濾波器的電路詳解

2018-05-23 09:11:00

傳統的帶通有源濾波器">有源濾波器設計方法中涉及了很多複雜的理論分析和計算。針對上述缺點,介紹一種使用 EDA 軟件進行帶通有源濾波器的設計方案,詳細闡述了使用 FilterPro 軟件進行帶通有源濾波器電路的設計步驟,然後給出了在 Proteus 中對所設計的濾波器進行仿真分析和測試的方法。測試結果表明,使用該方法設計的帶通有源濾波器具有性能穩定。設計難度小等優點,也為濾波器的設計提供了一個新的思路。

  帶通有源濾波器是一種僅允許特定頻率通過,同時對其餘頻率的信号進行有效抑制的電路。由于它對信号具有選擇性,故而被廣泛地應用現在電子設計中。但是,帶通有源濾波器的種類繁多,各個類型的設計差異也很大,這就導緻了在傳統濾波器的設計方法中不可避免地要進行大量的理論計算與分析,不但損失了寶貴的時間, 同時也提升了電路的設計門檻。為了解決上述弊端,本文介紹了一種使用FilterPro 和 Proteus 相結合的有源帶通有源濾波器的設計方案,随着EDA 技術的不斷發展,這種方法的優勢也将越來越明顯。

使用理想運放的帶通濾波器.jpg

圖1  使用理想運放的帶通有源濾波器

  電路原理圖如圖1所示。然後可在 Proteus 中搭建電路進行仿真分析, 前面已經提到, FilterPro 生成的濾波器中的運放使用的理想運放模型,所以仿真時需要先用理想運放進行分析,然後再進行替換。

實際搭建的有源濾波器電路.jpg

圖2   實際搭建的有源濾波器電路

  設計中運放選擇TI産品典型的通用雙放LM358,LM358裡面包括兩個高增益、獨立的、内部頻率補償的雙運放,适用于電壓範圍很寬的單電源,而且也适用于雙電源工作方式,特點方面具有低輸入偏置電流、低輸入失調電壓和失調電流,它的共模輸入電壓範圍較寬,差模輸入電壓範圍等于電源電壓範圍,單電源供電電壓3-32V,雙電源供電±1.5-±16V,單位增益帶寬為1MHz,适用于一般的帶通有源濾波器的設計,同時具有低功耗的功能,對于設計階數相對高一些的帶通有源濾波器的話,可以選用TI的四運放LM324,其性能與LM358大體相同,應用起來節省空間。對于運放的要求此設計不是特别高,隻要運放的頻率滿足低通的截止頻率即可,如果精确度要求高的話那麼首先運放的供電電壓要足夠穩定,或者選擇精密運放,如TLC274A,否則通用的即可,例如推薦 TI的LM224四運放。

  巴特沃斯帶通有源濾波器幅頻響應在通帶中具有最平幅度特性,但是從通帶到阻帶衰減較慢,如果對于過渡帶要求稍高,可以增加階數來實現,否則改選用切比雪夫濾波電路。

  下面讨論設計兩種帶通有源濾波器,其一為二階低通濾波器和二階高通濾波器組成的四階帶通有源濾波器,如下圖:

  四階帶通有源濾波器.png

  圖3 四階帶通有源濾波器

  參數選擇與計算:

  對于低通濾波器的設計,電容一般選取1000pF,對于高通濾波器的設計,電容一般選取0.1uF,然後根據公式 R=1/2∏fc計算得出與電容相組合的電阻值,即得到此圖中R2、R6和R7,為了消除運放的失調電流造成的誤差,盡量是運放同相輸入端與反向輸入端對地的直流電阻基本相等,同時巴特沃斯濾波器階數與增益有一定的關系(見表1),根據這兩個條件可以列出兩個等式:30=R4*R5/(R4+R5),R5=R4(A- 1),36=R8*R9/(R8+R9),R8=R9(A-1)由此可以解出R4、R5、R8、R9,原則是根據現實情況稍調整電阻值保持在一定限度内即可,不要相差太大,注意頻率不要超過運放的标定頻率。

  表1 巴特沃斯低通、高通電路階數與增益的關系

  巴特沃斯低通、高通電路階數與增益的關系.jpg

  其二是二階有源帶通有源濾波器,隻用一個放大區間,如下圖:

  二階帶通有源濾波器.png

  圖4二階帶通有源濾波器

  編輯點評:本文介紹的這種帶通有源濾波器的設計方法具有很強的通用性。實踐表明,該方法不但可以避免一些複雜的理論計算和分析,同時通過仿真還可以直觀的檢驗電路的輸入和輸出,進而使得濾波器的性能更加的穩定。