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有源模拟带通滤波器的设计

作者:时间:2009-08-21来源:网络收藏
滤波器是一种具有频率选择功能的电路,它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等,目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。

1 滤波器的结构及分类
以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成,60年代以来,集成运放获得迅速发展,由它和R、C组成的滤波电路,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外,由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高,输出阻抗比较低,构成滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
通常用频率响应来描述滤波器的特性。对于滤波器的幅频响应,常把能够通过信号的频率范围定义为通带,而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应,而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的位置分布,滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、和带阻滤波器。
文中结合实例,介绍了设计一个工作在低频段的二阶应该注意的一些问题。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/188728.htm


2 二阶有源的设计
2.1 基本参数的设定
二阶有源带通滤波器电路,如图1所示。图中R1、C2组成低通网络,R3、C1组成高通网络,A、Ra、Rb组成了同相比例放大电路,三者共同组成了具有放大作用的二阶有源模拟带通滤波器,以下均简称为二阶带通滤波器。

 

根据图l可导出带通滤波器的传递函数为


式(5)为二阶带通滤波器传递函数典型表达式,其中ω0称为中心角频率。
令s=jω,代入式(4),可得带通滤波器的频率响应特性为


可画出其幅频响应曲线,如图2所示。图中,当ω=ω0时,电压放大倍数最大。带通滤波器的通频带宽度为BW0.7=ω0/(2πQ)=f0/Q,显然Q值越高,则通频带越窄。

通频带越窄,说明其对频率的选择性就越好,抑制能力也就越强。理想的幅频特性应该是宽度为BW0.7的矩形曲线,如图3(a)所示。在通频带内A(f)是平坦的,而通带外的各种干扰信号却具有无限抑制能力。各种带通滤波器总是力求趋近理想矩形特性。

然而实际设计出来的带通滤波器的幅频特性曲线,如图3(b)所示。
在工程上,定义增益自A(f0)下降3 dB(即0.707倍)时的上、下限频率之差值为通频带,用BW0.7表示。要求其值大于有用信号的频谱宽度,保证信号的不失真传输。
综上分析可知:当有源带通滤波器的同相放大倍数变化时,既影响通带增益A0,又影响Q值(进而影响通频带BW0.7),而中心角频率ω0与通带增益A0无关。
2.2 实际电路设计效果分析
为了能更好的了解二阶带通滤波器在实际电路中应用的效果,设计了如图4的电路进行实验验证。图中U1A部分为放大电路,UlB部分为二阶带通滤波器电路。


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