有源滤波器中的相位关系

作者：时间：2011-06-03来源：网络收藏

二阶滤波器段

二阶滤波器有各式各样的电路结构。这里要讨论的是Sallen－Key、多路反馈、状态变量结构，及其类似的双二阶滤波结构。它们是最常见的结构，而且与本文的内容相关。关于各种不同结构的更为完整的信息可参见文后的参考文献。

Sallen－Key低通滤波器
广泛使用的Sallen-Key结构也被称为电压控制电压源（VCVS）型，是MIT的林肯实验室（参见文献3）的R.P. Sallen和 E.L. Key于1955年提出的结构。图10示出了一个Sallen－Key二阶低通滤波器的电路原理图。这一结构受到广泛欢迎的一个原因是它的性能基本与运放的性能无关，因为放大器主要作为一个缓冲器来使用。由于在基本的Sallen－Key电路中，连接成跟随器的运放并不用于产生电压增益，故对它的增益－带宽要求并不重要。这意味着，对于给定的运放带宽而言，与运放的动态特性受到可变反馈环路特性影响的那些电路结构相比，利用这一固定的（单位）增益可以设计出频率更高的滤波器。通过滤波器后，信号的相位保持不变（同相结构）。图4示出一个Q＝0.707（或者，阻尼比α＝1/Q=1.414—— Butterworth响应特性）的Sallen－Key低通滤波器的相移－频率关系图。为了简化比较，这将作为下面所考虑的二阶滤波器段的性能标准。

图10. 2极点、Sallen-Key低通滤波器

Sallen-Key高通滤波器
通过互换决定频率网络上的电容和电阻的位置，可将Sallan-Key低通电路变换为高通结构，正如图11所示的那样，而且同样采用单位增益的缓冲器。其相移－频率关系示于图5中（左轴）。这是同相、二阶、高通响应。

图11. 2极点、Sallen-Key高通滤波器

Sallen－Key滤波器的放大器增益可以通过在运放反相输入上连接一个电阻衰减器组成的反馈网络来提高。不过，改变增益将影响到决定频率网络的表达式，而且需要重新计算元件的值。该放大器的动态特性也需要更严格的考察，因为它们在环路中引入了增益。

多路反馈（Multiple-Feedback，MFB）低通滤波器

多路反馈滤波器是一种单放大器电路结构，反馈环路是基于运放的积分器（反相配置），如图12所示。因此，运放参数对传递函数之间的影响要大于 Sallen－Key的实现方案。要产生一个高Q、高频电路是很困难的，因为运放在高频段的开环增益有限。一条指导方针是，运放的开环增益应该至少比谐振（或者截止）频率处的幅值响应高出20dB（即10倍于之），包括滤波器的Q值造成的峰值。由于Q值而造成的尖峰将具有如下的幅值

⁽⁵⁾式中：H是电路的增益。

图12. 2极点、多路反馈（MFB）、低通滤波器

该多路反馈滤波器会使信号反相。这等价于让滤波器自身的相移增加了180°。图4示出了相位－频率变化关系（右轴）。这将被称为反相、二阶、低通响应。值得注意的是，在得到给定响应特性的条件下，多路反馈结构中的最大和最小元件值之间的差异要大于Sallen－Key实现方案中的。

多路反馈（MFB）、高通滤波器
上面关于多路反馈、低通滤波器的评述也适用于高通的情形。图13示出一个多路反馈、高通滤波器的原理图，其理想的相移-滤波特性则示于图5中（右轴）。这被称为反相、二阶、高通响应特性。

图13. 2极点、多路反馈（MFB）高通滤波器

要保证这种滤波器的具体电路实现在高频情况下的稳定性是十分困难的，因为它是在一个微分器的基础上构建的，与所有的微分器电路所类似的是，它在更高的频率上闭环增益更大，因此会对噪声产生放大作用。

状态变量型滤波器
图14示出了一种状态变量实现方案。该结构是最灵活和最精确的实现方案，付出的代价是电路元件的数量大大增加，其中包括了3个运放。所有3个主要的参数（增益、Q和ω₀）都可以独立调节，而且可以同时提供低通、高通和带通输出。该滤波器的增益也是独立的变量。

由于状态变量滤波器的所有参数都可以独立调节，故其元件值的散布变得很小。而且由于温度和元件公差所带来的失配也可以最小化。与上面的多路反馈电路类似的是，积分器部分所使用的运放的增益带宽积也成为电路的限制条件。

图14. 2极点、状态变量滤波器

其中低通滤波段的相移－频率特性属于一个反相的二阶型响应（参见图4，右轴），高通段电路将具有反相高通响应（参见图5，右轴）。

双二阶（biquad）
状态变量滤波器的一个近亲是双二阶型（参见图15）。该电路的名称最早是由J. Tow于1968年使用的（见参考文献6），后来由L.C. Thomas 于1971年使用（见文献5），其工作是基于如下的事实：传递函数是两个二阶项之比。该电路与状态变量电路之间存在轻微的区别。在这一结构中，不能提供单独的高通输出。不过它具有两路低通输出，其中一路是同相的（LOWPASS1），另一路是反相的（LOWPASS2）。

图15. 标准的双二阶2极点电路

由于添加了第四个放大器电路，故可以实现高通、陷波（低通、标准和高通）以及全通型滤波器。图16示出一个带有高通电路的双二阶电路的原理图。

图16. 2极点双二阶滤波器（带有高通段）

其中LOWPASS1段的相移－频率特性属于同相、二阶、低通型响应（参见图4的左轴）。LOWPASS2段将具有反相的二阶型响应（参见图4，右轴）。HIGHPASS段的相移特性属于反相特性（参见图5，右轴）。

结论
我们已经看到用于构建一个滤波器的拓扑将影响其实际的相位响应。这会是确定所用的拓扑时需要考虑的一个因素。表1对本文中讨论的各种低通滤波器结构的相移范围进行了比较。

相移特性随Q的变化特性

上述的2阶响应的Q值都是0.707。图17示出了Q的变化对低通滤波器的相位响应的影响（对高通滤波器的影响也类似）。图中绘出了Q = 0.1，0.5，0.707，1，2，5，10和20时的相位响应曲线。值得注意的是，Q值较低的情况下，在远低于截止频率的频率上相位就开始发生变化。

图17. 相移随Q值的变化特性

虽然幅值响应随Q值的变化并非本文的主题，但也是一个令人感兴趣的问题。图18示出了Q值在上述范围内变化时一个2阶滤波器的幅值响应特性。

当高Q电路应用于多级滤波器时，高Q电路的响应特性的尖峰现象也是令人感兴趣的问题。虽然在理论上这些电路段以何种顺序来级联并无差异，而在实践中，把Q值较低的电路段置于高Q电路段之前将更为有利，这是为了让尖峰现象不致于超出滤波器的动态范围。虽然该图是针对低通段的，但高通响应也存在类似的尖峰。

图18. 随着Q值的变化，2极点滤波器的幅值尖峰特性的变化

高阶次滤波器
传递函数可以级联起来，构成更高阶次的响应特性。当滤波器响应串连起来后，其在任意频率上的dB增益（以及衰减）和相角都相加起来。正如我们在前面指出的那样，多极点滤波器一般是利用级联的二阶电路段搭建的，对于奇次阶滤波器，可以另外添加一段一阶电路。两个级联的一阶电路段并不能像单个二阶滤波段那样提供很宽的Q值变化范围。

图19示出一个通过传递函数级联所构成的4阶滤波器。这里，我们可以看到，滤波器是由两个二阶段所构成的。

图19. 传递函数的级联所构成的4极点滤波器

图 20示出了构建一个4阶滤波器的3种方式对相位响应的影响。第一种结构是利用两个Sallen－Key（SK）Butterworth段搭建的。第二种是利用两个多路反馈（MFB） Butterworth段搭建的。第三种是利用一个SK段和一个MFB段搭建的。但是，正如两个级联的一阶电路段并不能构成一个二阶电路段一样，2个级联的2阶Butterworth段并不能等效于一个4阶Butterworth段。第一段Butterworth滤波器的f₀为1，Q值为0.5412（α＝1.8477）。第二段的f₀为1，Q值为1.3065（α＝0.7654）。

正如前面所提到过的那样，SK段是同相型的，而MFB是反相型的。图20对这3种4阶电路的相移特性进行了比较。其中SK和MFB滤波器具有相同的相位响应特性，因为两个反相段产生了同相响应（－1×－1＝＋1）。利用混合拓扑结构（SK和MFB）构建的滤波器的响应特性将偏移180° （+1 × –1 = –1）。

图20. 不同结构的4阶电路的相位响应

请注意，正如可以预料到的那样，总的相移特性是一个2阶电路段的两倍360° vs. 180°。高通滤波器将拥有类似的相位响应，但偏移相差180°。

该级联的思想可以用来搭建更高阶次的滤波器，但是，在实践中，超过8阶的滤波器很难实现。将来的文章将对带通、陷波（带阻）和全通滤波器的相位关系进行考察。