有源低通滤波器的实现100KHZ综述.docx

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有源低通滤波器的实现100KHZ综述

电子线路设计（论文）说明书

题目：

有源低通滤波器的设计

院（系）：

信息与通信学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

黄翔

学号：

1100220514

指导教师：

王娇

职称：

讲师

2013年11月16日

摘要

低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。

理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。

有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。

关键词：

低通；放大器；阶数

Abstract

Lowpassfilterallowslowfrequencysignaltopassthroughandsuppressesthehighfrequencycomponentsofsignals.Idealfiltercircuitshouldhavecertainamplitudefrequencyresponseinthepassbandandlinearphaseshift,anditsamplitudeshouldbezerointhestopband.ActivefilterisonethatiscomposedofRCnetworkandamplifyingcircuit.Itisactuallyakindofspecificfrequencyresponseamplifier.Thehighertheordernumberofthefilter,thefastertheamplitudefrequencyattenuationrate.ButtheRCnetworknodenumberisassociatedwiththecomponentsparametercalculationandthedebuggingofthecircuit.

Keywords:

lowpass;Amplifier;Ordernumber

引言1

1原理及设计方案1

1.1滤波器的介绍1

1.2有源滤波器的设计2

1.3方案选择......................................................................................4

2硬件介绍6

3仿真及结果............................................................................................7

4测量结果8

5实验心得与体会9

谢辞11

参考文献12

引言

课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。

本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。

作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。

1原理及设计方案

1.1滤波器的介绍

滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。

理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。

但实际滤波器不能达到理想要求。

为了寻找最佳的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。

一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。

滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。

任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。

对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由（n-1）/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。

1.2有源滤波器的设计

有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：

（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n；

（2）选择具体的电路形式；

（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组；

（4）解方程组求出电路中元件的具体数值；

（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。

根据设计要求，我选择巴特沃斯滤波器。

巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。

选择二阶有源低通滤波器电路，即n=2。

有源2阶低通滤波器电路如图1.1所示，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：

运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。

图1.1有源低通滤波器电路图

在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f＞＞fc时（fc为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90º，两级RC电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。

巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为：

，n=1，2，3，...

Butterworth的二阶归一化传递函数为：

H（s）=1/（s*s+1.414*s+1）；它的化归一化传递函数可以表示成两个多项式的比:

A（s）（2–1）

其中Auo为通带内的电压放大倍数，C为截止角频率，Q为品质因子。

从（2-1）式中可知，当=0时，（2-1）式有最大值1；=C时，（2-1）式等于0.707，即Au衰减了3dB；

（2–2）

Av=1+R4/R3（2–3）

1.3方案选择

下表1-1列出了每一种类型的二阶滤波器的系数，并给出了调节Q值时所用的电阻比率。

表1-1二阶滤波器的系数

本设计采用的多路反馈结构的巴特沃斯低通滤波器，设计阶数为四阶，截止频率为100KHZ，原理就是两个二阶滤波器的级联。

下图1.2是MFB低通滤波器的基本原理图。

图1.2MFB低通滤波器原理图

电路的传递函数是

其中，各参数由以下计算得

最后结合滤波器设计软件FilterPro得出100KHZ的电容电阻值，进而得到所设计的滤波器。

2硬件简介

设计中所用的OPA690是TI公司的一款高速电压反馈运放，具有超高带宽，单位增益稳定500MHZ，供电电压+-5V，常应用在视频线驱动器，xDSL线路驱动器/接收器，高速成像通道，ADC缓冲器，便携式仪器，阻放大器，有源滤波器。

OPA690引脚图如图2.1，典型滤波电路如图2.2。

图2.1OPA690管脚图

图2.2OPA690典型滤波器电路

3仿真及结果

仿真电路图如图3.1。

图3.1仿真电路

仿真结果如图3.2。

由图3.2可知截止频率在100KHZ，满足设计要求。

图3.2仿真结果

4测量结果

实测结果如表4-1。

表4-1实测结果

KHZ

1

10

20

30

50

70

90

100

150

180

VPP

1.004

1.000

0.998

0.996

0.994

0.986

0.876

0.708

0.548

0.101

图4.1信号为1VPP，50KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察

图4.2信号为1VPP，100KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察

图4.3信号为1VPP，180KHZ的正弦信号通过滤波器在示波器上观察

5实验心得与体会

通过这次课设，我学会很了很多东西。

首先，以前从模电书上学到的知识应用在了实际上，特别是滤波器的设计，本次设计的是低通多反馈结构巴特沃斯滤波器，因为是四阶100KHZ，所以器件的选择很重要，之前考虑常用的运放如OP07，LM324等这些普通运放，经看数据手册得知要做到100KHZ是根本不能实现的，所以考虑了TI公司的高速运放，由于买到的芯片是贴片的，所以板子布线是用顶层。

第一次由于焊接的原因，导致电路出现状况，电流过大，输出端检测不到信号，之后就烧毁了芯片，第二次做的时候我先焊上芯片然后试着供电看正不正常，之后才焊上其他的元件。

TI的高速运放果然好用，完美的波形，100KHZ的截止频率，前面几乎无衰减。

在设计过程中，我查看了许多资料和书籍，其中最有用的是《运算放大器权威指南》和滤波器设计软件FilterPro，给了我很大的帮助。

这给我的想法是，理论知识很重要，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成败。

所以需要查找很多资料，需要足够的耐心、细心去研究问题，解决问题。

同时还必须有实事求是地分析问题的态度，知道理论与实际是有一些差别的。

谢辞

本次课设能顺利的完成，要多谢一些同学的热心帮助，他们跟我分享了很多自己的经验，看法，对有问题的地方都能及时的指出来。

同时更要多谢专业课老师和指导老师的悉心帮助。

参考文献

[1]岗村迪夫.OP放大电路设计.科学出版社，2007.

[2]BruceCarter.运算放大器权威指南.人民邮电出版社,2009.

[3]森。

荣二.滤波器设计与制作.科学出版社，2008.

[4]康治德.模拟电子技术基础.科学出版社,2009.

附录

图1DXP原理图

图2PCB图