第5章 濾波器

1、1TM鄭州大學信息工程學院電子信息工程系鄭州大學信息工程學院電子信息工程系范文兵范文兵2012年春季年春季電子系統(tǒng)設計與實踐電子系統(tǒng)設計與實踐第5章 濾 波 器2TM2電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n濾波器或濾波電路是一種能使有用頻率信號濾波器或濾波電路是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它作信號處理、號的電子裝置。工程上常用它作信號處理、數據傳送和抑制干擾等。數據傳送和抑制干擾等。5.1 濾波器的分類濾波器的分類3TM3電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系

2、 范文兵 n按濾波器是否使用有源器件（放大器）來分按濾波器是否使用有源器件（放大器）來分可分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。可分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。5.1 濾波器的分類濾波器的分類4TM4電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.1.1 無源濾波器5.1 濾波器的分類濾波器的分類5TM5電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容組成的濾波電路。與無源濾波器相比，有源濾波器具有不同電感，因此體積小、重量輕，電路Q值的提高不受電感Q值的限制。另外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又

3、低，構成有源濾波電路后，還具有無源濾波器無法做到的信號放大功能，而且輸入輸出阻抗容易匹配。有源濾波器的缺點是：由于采用有源器件，需使用電源；功耗較大；集成運放的帶寬有限。5.1.2 有源濾波器5.1 濾波器的分類濾波器的分類6TM6電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 1. 低通濾波器低通濾波器低通濾波器的功能是：讓從零到某一截止頻低通濾波器的功能是：讓從零到某一截止頻率率 C的低頻信號通過，而對大于的低頻信號通過，而對大于 C的所有的所有頻率則完全衰減，開關電容濾波器技術允許頻率則完全衰減，開關電容濾波器技術允許使用片外或片內時鐘調整濾波器截止頻率。使用片外或片內時

4、鐘調整濾波器截止頻率。 5.1 濾波器的分類濾波器的分類7TM7電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 2. 高通濾波器高通濾波器高通濾波器的功能是讓高于截止頻率高通濾波器的功能是讓高于截止頻率 C的高的高頻信號順利通過，而對從零到阻帶頻率頻信號順利通過，而對從零到阻帶頻率 s的的低頻信號受到衰減，幅頻響應如下頁低頻信號受到衰減，幅頻響應如下頁 所示所示。5.1 濾波器的分類濾波器的分類8TM8電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.1 濾波器的分類濾波器的分類9TM9電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 3. 帶通

5、濾波器帶通濾波器的功能是：讓有限帶寬（LH）內的頻率信號順利通過，而讓此頻率范圍以外的頻率信號受到衰減。 5.1 濾波器的分類濾波器的分類10TM10電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 4. 帶阻濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器的功能是：抑制某個頻率范圍內帶阻濾波器的功能是：抑制某個頻率范圍內的頻率信號，使其衰減，而讓此頻帶以外的的頻率信號，使其衰減，而讓此頻帶以外的頻率信號順利通過。幅頻響應特性對稱的帶頻率信號順利通過。幅頻響應特性對稱的帶阻濾波器也稱為阻濾波器也稱為“陷波陷波”器。器。5.1 濾波器的分類濾波器的分類11TM11電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院

6、電子信息工程系 范文兵 n理想濾波器的頻率響應在通帶內應具有最大理想濾波器的頻率響應在通帶內應具有最大幅值和線性相移，而在阻帶內其幅值應為零幅值和線性相移，而在阻帶內其幅值應為零。實際的濾波電路往往難以達到理想的要求。實際的濾波電路往往難以達到理想的要求，如要同時在幅頻和相頻響應兩方面都滿足，如要同時在幅頻和相頻響應兩方面都滿足要求就更加困難。因此，一般有源濾波器的要求就更加困難。因此，一般有源濾波器的設計是根據所要求的幅頻和相頻響應，尋找設計是根據所要求的幅頻和相頻響應，尋找可實現的有理函數進行逼近設計，以達到最可實現的有理函數進行逼近設計，以達到最佳的近似理想特性佳的近似理想特性 5.2

7、有源濾波器設計原理有源濾波器設計原理12TM12電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n這是一種幅度平坦的濾波器，即其幅頻這是一種幅度平坦的濾波器，即其幅頻響應從零到衰減響應從零到衰減3dB的截止頻率的截止頻率 C處于處于幾乎是完全平坦的，但在截止頻率附近幾乎是完全平坦的，但在截止頻率附近有峰起，對階躍響應有過沖和振鈴現象有峰起，對階躍響應有過沖和振鈴現象，過渡帶以中等速度下降，下降率為，過渡帶以中等速度下降，下降率為 6ndB/十倍頻，其中十倍頻，其中n為濾波器的階數為濾波器的階數。有輕微的非線性相頻響應，適用于一。有輕微的非線性相頻響應，適用于一般性的濾波器。般性

8、的濾波器。5.2.1 巴特沃思濾波器5.2 有源濾波器設計原理有源濾波器設計原理13TM13電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n切比雪夫濾波器在通帶內存在等紋波動，而切比雪夫濾波器在通帶內存在等紋波動，而衰減度比同階數的巴特沃思濾波器大，寬的衰減度比同階數的巴特沃思濾波器大，寬的通帶波紋容限增大了其傳輸帶衰減速率，但通帶波紋容限增大了其傳輸帶衰減速率，但相位響應畸變較大，適用于需快速衰減的場相位響應畸變較大，適用于需快速衰減的場合，如信號調制解調電路中。在設計切比雪合，如信號調制解調電路中。在設計切比雪夫濾波器時，需要指定通帶內的波紋值夫濾波器時，需要指定通帶內的

9、波紋值 和和決定階次決定階次n的衰減要求。的衰減要求。5.2.2 切比雪夫濾波器5.2 有源濾波器設計原理有源濾波器設計原理14TM14電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 1. 壓控電壓源（壓控電壓源（VCVS）低通濾波器）低通濾波器壓控電壓源電路中的集成運放為同相輸壓控電壓源電路中的集成運放為同相輸入接法，因此濾波器的輸入阻抗很高，入接法，因此濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源，故稱這種電路為電壓控制電壓源電源，故稱這種電路為電壓控制電壓源電路。其優(yōu)點是電路性能能穩(wěn)定，增益容路。其優(yōu)點是電路性能能穩(wěn)定，增益

10、容易調節(jié)。易調節(jié)。5.3.1 低通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例15TM15電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例16TM16電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 2. 二階無限增益多路反饋（二階無限增益多路反饋（MFB）低通濾波器）低通濾波器無限增益多路反饋電路中的集成運放為反相輸入無限增益多路反饋電路中的集成運放為反相輸入接法，由于放大器的開環(huán)增益為無限大，反相輸接法，由于放大器的開環(huán)增益為無限大，反相輸入端可視為虛地，輸出端通過入端可視為虛地，

11、輸出端通過C2、R2形成兩條反形成兩條反饋支路，故稱這種電路為無限增益多路反饋電路饋支路，故稱這種電路為無限增益多路反饋電路。其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用元件較少，但。其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用元件較少，但增益調節(jié)不太方便，對其他性能參數會有影響，增益調節(jié)不太方便，對其他性能參數會有影響，其應用范圍比其應用范圍比VCVS電路要小。電路要小。5.3.1 低通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例17TM17電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 3. 反饋式超低頻低通濾波器反饋式超低頻低通濾波器利用反饋原理來實現的一階超低頻低通濾波利用反饋

12、原理來實現的一階超低頻低通濾波器，這個電路時間常數可高達數百秒，在自器，這個電路時間常數可高達數百秒，在自動控制、信號檢測、信號處理及其他超低頻動控制、信號檢測、信號處理及其他超低頻范圍作慣性環(huán)節(jié)或作超低頻積分器，范圍作慣性環(huán)節(jié)或作超低頻積分器， 在工在工作頻段存較高的積分精度，可有效地避免積作頻段存較高的積分精度，可有效地避免積分漂移。分漂移。5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例18TM18電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例19TM19電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程

13、系 范文兵 5.3.2 高通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例20TM20電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.3.2 高通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例21TM21電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n二階壓控電壓源帶通濾波器二階壓控電壓源帶通濾波器圖為二階壓控電壓源帶通濾波器的電路圖為二階壓控電壓源帶通濾波器的電路 5.3.3 帶通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例22TM22電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程

14、系 范文兵 5.3.3 帶通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例23TM23電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n話路濾波器話路濾波器圖圖5.3.8為話路濾波器的電路圖，此濾波器實為話路濾波器的電路圖，此濾波器實際上是由一個截止頻率為際上是由一個截止頻率為 H的二階低通濾波的二階低通濾波器和一個截止頻率為器和一個截止頻率為 L的二階高通濾波器組的二階高通濾波器組合而成，其通帶范圍為合而成，其通帶范圍為 L H，因而對這，因而對這種形式的濾波器，可根據低通和高通濾波器種形式的濾波器，可根據低通和高通濾波器的設計方法，組合而成。的設計方法

15、，組合而成。5.3.3 帶通濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例24TM24電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例25TM25電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.3.4 帶阻濾波器的設計5.3 常用有源濾波器的設計實例常用有源濾波器的設計實例26TM26電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n常用的集成濾波器主要有有源RC濾波器和開關電容濾波器兩種。有源RC濾波器有單片集成，也有混合工藝制作的模塊電路。而開關電容濾波器是一種

16、新型的大規(guī)模集成電路，是數模結合的產物，其主要特點是用開關和電容代替電阻。 5.4.1 常用集成濾波器原理5.4 集成有源濾波器集成有源濾波器3.4.3 單電源交流電壓放大器27TM27電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.4.2 TLC14集成開關電容濾波器5.4 集成有源濾波器集成有源濾波器TLC14低通濾波器的截止頻率fC取決于其時鐘頻率fCLK，兩者之比為1:100，而時鐘頻率fCLK取決于1，2引腳外接的R、C值， 28TM28電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.4 集成有源濾波器集成有源濾波器29TM29電子系統(tǒng)設計與實

17、踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.5.1 可編程模擬器件概述5.5 可編程模擬器件可編程模擬器件1. 負溫度系數熱敏電阻器（NTC）Lattice公司推出了在系統(tǒng)可編程模擬電路，翻開了模擬電路設計方法的新篇章。為電子設計自動化（EDA）技術的應用開拓了更廣闊的前景。與可編程邏輯器件PLD一樣，在系統(tǒng)可編程模擬器件允許設計者使用開發(fā)軟件在計算機中設計、修改模擬電路，進行電路特性模擬，最后通過編程電纜將設計方案下載至芯片中。系統(tǒng)可編程器件可實現信號調理、信號處理和信號轉換三種功能。信號調理主要能夠對信號進行放大、衰減、濾波。信號處理是指對信號進行求和、求差、積分運算。信號轉換是指

18、能把數字信號轉換成模擬信號。30TM30電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.5.2 在系統(tǒng)可編程模擬電路的結構5.5 可編程模擬器件可編程模擬器件31TM31電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 5.5 可編程模擬器件可編程模擬器件1. 負溫度系數熱敏電阻器（NTC）32TM32電子系統(tǒng)設計與實踐 鄭州大學信息工程學院電子信息工程系 范文兵 n用三個運算放大器可以實現雙二階型函數的用三個運算放大器可以實現雙二階型函數的電路，而雙二階型函數能實現所有的濾波器電路，而雙二階型函數能實現所有的濾波器函數，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波器函數，包括低通、高通、帶通和帶阻濾波器雙二階函數的表達式為，式中雙二階函數的表達式為，式中m=1或或0，n=1或或0。n這種電路的靈敏度相當低，電路容易調整。這種電路的靈敏度相當低，電路容易調整。另一個顯著特點是只需要附加少量的元件就另一個顯著特點是只需要附加少量的