图4高通滤波器(HPF)
低通滤波器频率范围是0到fo,高通滤波器的频率范围是wo到∞,它们的频率范围正好是相反的。
图5带通滤波器(BPF)
带通响应它的理想通带几乎不变,通带两侧都有阻带。
图6带阻滤波器(BEF)
带阻滤波器的阶数取决于高通和低通部分的阶数。
要实现带阻响应,高通滤波器的截止频率WL必须大于低通滤波器的截止频率WH,此外,高通和低通部分的通带增益必须相等。
要想得到具有从通过到阻止或从阻止到通过突变的理想特性滤波器是不可能的。
实际滤波器从阻带到通带存在一个简便的过程。
且过渡带愈窄,电路的性能愈好,滤波特性愈理想。
2.2滤波器的幅频特性
理想中的幅频响应是通带和阻带是相邻的,没有过渡带;通带到阻带之间是一条竖直直线,通带是一条平的直线,没有起伏波动[4]。
阻带的衰减是无穷大的。
举例低通滤波器的实际幅频特性。
图7低通滤波器的幅频特性
当频率为零时,带通放大倍数为:
(1)
通带截止频率fp是丨Au丨≈0.707丨Aup丨的频率,过渡带表示的是从fp到丨Au丨接近零的频段,阻带则是使丨Au丨趋近于零的频段。
对于LPF、HPF、BPF和BEF,分析滤波电路就是研究其幅频特性,即求解出
Aup、fp和过渡带的斜率。
3集成运放及其基本组合电路
3.1集成运放的简介
3.1.1集成运放的基本组成及功能
集成电路(IC)是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件,它采用特殊设计的生产工艺,把BJT、FET、二极管、电阻、小电容以及连接导线所组成的整个电路,制作(集成)在一小块硅片上,然后再做出若干个引出端(管脚),最后封装在一个管壳内,构成一个完整的、具有一定功能的器件,因此又称为固体组件或芯片。
由于它的元件密度高、连线短、体积小、重量轻、功耗低,外部接线及焊点大为减小,所以提高了电子设备的可靠性和使用灵活性,不但降低了成本,而且实现了元件、电路和系统紧密结合,为电子技术开辟了一个崭新的时代[5]。
集成运放是一个高增益直接耦合放大器,通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其他应用电路。
任何一个集成运放都有两个输入端,一个输入端以及正、负电源端,有的还有补偿端和凋零端等。
集成运放的符号如图9所示。
集成运放,它的内部电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路共4部分组成。
下面围绕图8对集成运放的结构特点和性能要求作一概述。
++
uiuou+
——uo
u—
图8集成运放原理框图图9符号
通用型集成运放具有高电压增益,并要求有高输入阻抗和低输入阻抗。
(1)输入级
通常以静态电流很小的电压跟随器和差分放大器作为输出级。
输入级的作用是提供与输出端呈同相和反向关系的两个输入端,同时要有效抑制温度漂移,并具有较大的输入电阻,因此输入级采用高性能的差分放大电路。
它是抑制温度漂移的关键一级,对于整个运放性能指标优劣起着重要的作用。
(2)中间级
通常以达林顿管共e级放大器作为中间级。
中间级要具有强大的电压放大能力,以提高整个电路的电压放大倍数,多采用以复合管为核心,带有源负载的共射放大电路。
为了保证闭环的稳定性,在中间级以电容并联反馈用作频率响应补偿。
(3)输出级
通常以互补达林顿管符合跟随器作为输出级。
输出级的作用是应具有输出电阻小,带负载能力强的特点,一般采用互补功率放大电路。
(4)偏置电路
其主要作用是为各级电路提供稳定、合适的偏置电流,决定各级电路的Q点,使集成运放尽可能少地受温度和电源电压等因素的影响。
集成运放的偏置叜电路由各种电流源电路组成。
集成运放芯片上出了上述4个主要部分外,还有一些辅助电路,例如电平移动电路、过电流、过电压和过热保护电路等。
3.1.2集成运放的传输特性
图10加输入电压图11电压传输特性
同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同,若uP>0,则uo>0;uP
反相输入端表示输入电压与输出电压相位相反,若uN>0,则uo<0;uN
电压的传输特性曲线如图11,横坐标表示输出电压uo,纵坐标表示输入电压ui。
电压传输特性斜率电压放大倍数为:
(2)
输出幅值和输入幅值之比,其中在饱和区域为水平线性关系,说明输出电压uo不跟随输入电压(3)
的变化而变化,而是恒定值+Uom(或—Uom),由于差模开环放大倍数Aod非常高,所以线性区图像还是非常窄,只有当ui=|uP—uN|,才相对稳定。
3.1.3集成运放的理想分析和特点
在各种应用电路中,集成运放可能工作在线性区或非线性区。
在一般情况下,当集成运放外接负反馈时,工作在线性区;当集成运放处于开环或外接正反馈时,在分析各种应用电路时,往往认为集成运放是理想的,输入电阻为无穷大、输出电阻为0、共抑制摸比为无穷大及开环电压放大倍数为无穷大。
它有以下几个特点:
1、集成运放中它的电压放大倍数非常大,一般为10的四次方到六次方倍。
2、集成组件的参数是高度可分散的,但同一硅晶片上相邻组件的对称性更好,所以一般都采用要求元件参数对称的差分放大电路,以克服直接耦合电路中存在的温漂问题。
3、集成运放采用直接耦合方式。
4、在集成电路中,为了弥补单个晶体管性能上的不足,经常采用复合管。
3.2集成运放原理电路分析
图12集成运放电路原理图
在分析电路原理图时,一般应首先按信号的流向找出输入级、中间级、输出级,并确定偏置电路,进行合理分块,然后再分析各块的功能,最后再纵观整体,总结集成运放的性能特点。
3.2.1同相放大器
图13同相放大器图14跟随器
图13为由集成运算放大器构成的同相放大器,特点是输入信号作用在同相输入端,而反馈信号作用在反相输入端。
通过vo=avD=a(vp—vs)可以求出vo,然而必须导出对vp和vs的表达式。
由直观检查看出vp=vI利用分压公式得出
(4)
或者
(5)
令vo=a(vp—vs),得到
(6)将相关项进行组合并对比值vo/vI(记作A)求解得到
(7)
集成运算放大器电路的增益A和基本运算放大器的增益a是不同的。
若令Rf=0,R1→∞,如图14所示,则由于vs=vo,因而电压增益Avf≈1,表明vo跟随vs而变化,类似于共集放大器,故有同相跟随器之称,显然,它的性能远比共集放大器好。
3.2.2反相放大器
图15反相放大器
另一个常见的结构是反相放大器。
RF将输出电压反馈到运算放大器的反相端。
根据基尔霍夫电压定律,有
vs=R1is—vd(8)
—vd=RFif+vo(9)
对于反相放大器常规工作时,电路不要求Rx。
然而,Rx在同相端建立了一个非零的电压,任何与运算放大器补偿参数有关的信号将同时出现在同相端和反相端。
在反相端采用基尔霍夫电流定律,得到
Is=if+ii(10)
对于理想运放,vd≈0,ii≈0。
有
Vs=R1is(11)
根据式子RFif+vo=0,得到电流反馈
(12)
因此,输出电压与输入电压的关系为
)vs(13)
这样得到运算放大器电路的闭环增益
(14)
如果输入的是正弦的话,电路将引入一个相位倒置,或等效的说有180°的相移。
3.3.3积分器
积分器就是能将输入信号进行积分运算的元件,把集成运算放大器接成能实现输出电压与输入电压对时间的积分成正比的放大电路[6]。
图16电路
Rx用来减小运算放大器的不完美性带来的影响。
Rx的值应等于R1的大小。
Vc(t=0)=Vco表示电容电压的初始值。
这样输出电压为输入电压vs的积分。
积分电路作为模拟电子电路的基本组成单元,积分器的适用范围十分宽广。
它不仅可以用于控制和测量的电路模式中,同时也能适用于时间电路模块中的延时和定时功能中。
3.3.4求和器
求和器又名加法器。
在集成运放电路中,把组成的加法器的输出电流相加并作用到一个负载的电阻上,由此而得到的电路输出电压,可以看做是由几个输入的电压变量在作求和计算的一种电路。
4基于集成运放的通用二阶滤波器
以状态变量和双二阶滤波器一类为代表多运算放大器滤波器是通过把工作从无源器件转移到有源器件,从而来提高滤波器的性能和扩大它的用途。
通过采用更多的元件,这类滤波器能实现更易调节并降低对无源器件的灵敏度,也没有过大的元件值分布,这种滤波器能同时提供多种响应,因而被称为通用滤波器[7]。
4.1方案框图
图17通用二阶滤波器总框图
4.2各部分电路的作用
4.2.1通用滤波器的作用
在电路中,通用二阶滤波器可根据研究和实验方向选取任意滤波器。
滤波器通常是主要由电阻和电容组成,通过滤掉不需要的信号从而产生不一样的波形。
4.2.2放大器的作用
放大器可以看作是由输入端口和输出端口组成的二端口网络。
通常,输入端的一端与输出的一端相连形成“共模地”。
输出电压(或电流)相对于输入电压(或电流)以“增益参数”来表示。
如果输出信号直接正比于输入信号,则输出是输入信号的原样复制,这样的放大器称“线性放大器”。
如果在输出波形中有任何改变,则认为有“失真”,这是不希望的。
4.2.3反馈网络的作用
反馈通常应用在放大器电路中。
一个和输出成正比的反馈信号与输入或一个参考信号进行对比,以便最终从一个放大器获得一个期望的输出。
反馈网络分为正反馈和负反馈两类。
运算放大器总有一定的输出电阻,且有不可忽视的相移。
对正反馈环路,可能使有属性复杂的输出阻抗。
因此,运算放大器先经电压跟随器隔离,再接通环路。
4.3基于集成运放的通用二阶滤波器
图18通用滤波器电路
使用OPA861构成的通用滤波器电路如图18所示,电路传输特性:
(15)
使用滤波器电路可以构成不同类型的滤波器,电路形式和设置如下:
低通滤波器:
设置R2=R3=∞
高通滤波器:
设置R1=R2=∞
带通滤波器:
设置R1=R3=∞
带阻滤波器:
设置R2=∞,R1=R3
图19混合集成的通用滤波器
图19是一种混合集成的通用滤波器的内部电路。
图中的数码是引脚号。
图左侧的放大器A3用作相加放大器。
在内部,设有电阻R3=R4=20KΩ及R1=10KΩ。
然后按照控制电路Q值的要求,通过引脚1外接一个电阻。
如有需要,还要用前置放大器(preamplifier)A4作为信号源与接的那个电阻之间缓冲隔离电路。
A4的输出阻抗应远低于那个电阻。
中间和右侧的放大器(A1和A2)用作反向积分器,内部已配置了反馈电容C(220pF)。
因此,只需在引脚3与14及引脚13与7之间分别外接R。
若我们设置特征频率为50Hz,则有
(16)
A2和A3的同相输入端已连接于内部的“地线”,但必须通过说明书规定的引脚与印刷电路板上的“地线”相连。
而反馈电容的大小是分布电容的数十倍,因而避免了分布电容的影响。
按以上的计算,积分器的电阻数量级仅为10kΩ,与内部电阻的数量级相同。
为不致引起感应干扰,产生较强的噪声和过大的失调,即使特征频率较低,也不宜用过大的电阻。
对于这种情况,宜先在引脚14与13及7与5之间分别外接恰当的优质电容,在选用适当的电阻。
5仿真验证叙述及效果分析
5.1仿真软件Multisim简介
Multisim用软件方法虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器仪表,从而实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”的功能,Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的一款以Windows为基础的仿真工具,属于原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件,它适用于板级模拟/数字电路板的设计工作,包括电路原理图的图形输入和电路硬件描述语言的输入方式,具有强大的仿真分析能力[8]。
此次设计的通用二阶滤波电路将通过Multisim的仿真来实现相对应的功能,使实验结果得到验证。
5.2仿真电路
根据电路原理图,在Multisim绘图界面放置所需的元器件以及测试仪器,完成电路的连接。
电路原理图完成之后运用进行仿真。
图20仿真电路图
截取带通滤波器电路图进行分析。
图21带通滤波器仿真图
其中R1、R2、R7、R8为5.1kΩ,R3、R4为10kΩ,R5、R6为20kΩ,C1、C2、C3、C4为10nF。
数据理论值:
二阶带通滤波器的带通增益:
Aup=Aup1+Aup2=4(17)
高通滤波器的上限截止频率:
(18)
低通滤波器的下限截止频率:
(19)
滤波器测量示值:
图22仿真波形图
图中显示,输入信号频率为200Hz,幅度为12V。
红色表示的为输入信号,幅度相对较大,橙色表示的为输出信号,幅度相对较小。
图22显示,在中心频率的附近,输出信号的幅度大小是输入信号的4倍左右。
然后调节输入频率,改变参数后分别为500Hz,1kHz,1.5kHz,2kHz,2.5kHz,示波器显示输入频率在800Hz—1.5kHz。
说明此滤波器的通带为800Hz—1.5kHz。
6结语
这次毕业设计,是我通过大二大三对模拟电子电路基础的学习,对滤波器有了一定的认识,对于电子电路有着足够的兴趣与热爱,所以选择了这个课题。
经过这一段时间的努力本次论文课程设计终于完成了,但是现在回想起来做课程设计的整个过程,自己深有感触,其中有苦也有甜,有艰辛同时又充满乐趣,不过乐在其中。
这次的论文设计利用了老师交给我们的所有知识,还有我们没有接触过的知识,虽然难,但我们逐步攻克,最终取得了胜利。
通过这半年的学习与设计,使我感受颇多,我们不仅要学好课本知识,将书本知识与实践相结合也非常考验我们的能力。
俗话说:
樱桃好吃树难载,不撒心血花不开。
这段时间经常在图书馆和实验室之间来回走动,确实学到了不少东西。
大学的生活与学习接近了尾声,在这个毕业设计中,我也发现了自己身上的一些问题,比如对待问题不够有耐心,自己对知识掌握的不牢固,心情有的时候很郁闷很烦躁。
但最终还是在教师的指导和同学的帮助下设计出了基于集成运算的通用二阶滤波器。
以后的学习生活中,我会牢记这些,让自己变得更好更有能力。
7谢辞
经过这段时间的努力,毕业设计最终完成,在教师的指导和同学的帮助下设计出了基于集成运算的通用二阶滤波器,对滤波器有了更深层次的认识。
通过此次毕业设计,既检查了大学四年是否真正学到了知识,是否能够将理论知识与实践结合起来,同时又锻炼了自己处理问题的能力。
这次的毕业设计,是我大学篇章里的最后一页。
往返于图书馆和实验室之间,让我的收获到了不少,查漏补缺,对自己的专业知识有了更深一步的了解,让我对这方面知识有了更进一步的喜爱。
从最初的信息收集,查阅文献资料,到画电路图,以及最后动手焊接电路板、仿真测试。
每一步都交织在一起,紧密衔接,每一步都会产生错误或疏忽。
需要我们静下心来,沉着应对,冷静分析。
最后,特别感谢导师的悉心指导,是他们耐心的讲解,让我明白了自己制作毕业论文的方法和思路让我的论文完成的更加完美。
还有同学给我的帮助,才能让我将这次的课程设计完成好。
谢谢大家!
参考文献
[1]杜树春.集成运放放大器应用经典实例[M].电子工业出版社.2015(10)
[2]刘树棠,朱茂林,荣玫.译.基于运算放大器和模拟电路的电路设计[M].西安:
西安交通大学出版社,2004.
[3]邱关源.现代电路理论基础[M].北京:
高等教育出版社,2001.
[4]潘加宏.伺服控制系统在数控设备改造中的研究与应用[D].河北科技大学,2015.
[5]张小茹.压控振荡器在射频通信电路中的应用讨论[J].科技风.2014(09)
[6]李永安等.四运放多功能KHN滤波器的设计[J].电子设计工程,2010,18(11):
30—32.
[7]李永安等KHN滤波器频率特性的进一步研究[J].海南大学学报(自然科学版),2010,28(2):
144—147.
[8]王楚