二階壓控電壓源低通濾波器

二階壓控電壓源低通濾波器1.引言在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，常常需要對(duì)某些信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以消除干擾或者提取有用的信號(hào)。濾波器是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要工具之一。其中，一種常見的濾波器是二階低通濾波器，它能夠消除高頻信號(hào)，而保留低頻信號(hào)，廣泛應(yīng)用于音頻放大器、無源濾波器等領(lǐng)域。本文將介紹一種基于壓控電壓源的二階低通濾波器，該濾波器具有頻率可調(diào)的特點(diǎn)，可通過改變控制電壓的大小來實(shí)現(xiàn)不同的濾波效果。接下來，我們將從濾波器的基本原理、電路設(shè)計(jì)、電路仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行介紹。2.濾波器的基本原理濾波器的作用是將一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)放行，而將其他頻率范圍內(nèi)的信號(hào)截止。在信號(hào)的處理中，經(jīng)常會(huì)用到低通濾波器和高通濾波器。其中，低通濾波器通過消除高頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波效果，而高通濾波器則通過消除低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波效果。二階低通濾波器由一級(jí)低通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，在設(shè)計(jì)之前，首先需要確定濾波器的截止頻率fc，即濾波器能夠通過的最大頻率。在濾波器中，截止頻率fc的決定因素是電容和電感的阻抗大小，它們的關(guān)系如下：Zc=1/(jωC)，ZL=jωL其中，C為電容的電容量，L為電感的電感值，ω=2πf，f為所需截止頻率。在濾波器中，當(dāng)截止頻率之下的信號(hào)經(jīng)過濾波器處理后得以通過，而截止頻率之上的信號(hào)則被濾波器所截止。因此，二階低通濾波器的頻率特性可以視為在截止頻率之前的信號(hào)放行，截止頻率之后的信號(hào)截止。3.電路設(shè)計(jì)基于壓控電壓源的二階低通濾波器電路如下：其中，當(dāng)前輸入信號(hào)Vin經(jīng)過一個(gè)非常高的放大器A1，以保證濾波器的增益足夠高。同時(shí)，該電路中還包括一個(gè)可調(diào)的壓控電壓源Vc，用于控制濾波器的截止頻率。在Vc的控制下，濾波器的電容C可以表示為：C=C0*exp(Vc/Vt)其中，C0為原本的電容值，Vt為熱彌散電壓，其值通常取26mV。根據(jù)濾波器電路的特點(diǎn)，我們可以得到該電路的傳遞函數(shù)：H(s)=(-s^2*R2*C2)/(s^2*R1*R2*C1*C2+s(R1+R2)*C2+s)該傳遞函數(shù)可以表示為電壓輸入Vin與電壓輸出Vout的比值，其中s=jω為復(fù)數(shù)變量。根據(jù)傳遞函數(shù)的定義，我們可以得到濾波器的增益以及截止頻率：Ai=20*log10|H(jωi)|fc=(1/2π)*(R1+R2)/(C1*C2*(R1*R2*C1+2*R2*C1*C2+R1*R2*C2*(Ai/40)^2)^(1/2))其中，Ai為濾波器在截止頻率處的增益大小，ωi=2πfc為截止頻率。4.電路仿真我們可以通過SPICE工具進(jìn)行電路仿真，在Multisim中進(jìn)行仿真如下：其中，輸入信號(hào)Vin為頻率為1KHz的正弦波，其峰值為100mV。同時(shí)，我們控制電壓源Vc的大小分別為0V、0.3V、0.6V、1V時(shí)，分別得到了不同的輸出波形。先分析當(dāng)Vc=0V時(shí)的輸出波形，如下圖所示：可以看出，當(dāng)濾波器中不存在可調(diào)的壓控電壓源時(shí)，濾波器的截止頻率fc=3.3KHz（計(jì)算值為3.315KHz），可以很好地消除高頻信號(hào)。接著，分析當(dāng)Vc=0.3V時(shí)的輸出波形，如下圖所示：可以看出，當(dāng)控制電壓Vc為0.3V時(shí)，濾波器的截止頻率fc=1.7KHz（計(jì)算值為1.697KHz）。與Vc=0V時(shí)相比，濾波器能夠通過更高的頻率信號(hào)。接著，分析當(dāng)Vc=0.6V時(shí)的輸出波形，如下圖所示：可以看出，當(dāng)控制電壓Vc為0.6V時(shí)，濾波器的截止頻率fc=880Hz（計(jì)算值為880Hz）。與Vc=0V時(shí)相比，濾波器能夠通過更高的頻率信號(hào)。最后，分析當(dāng)Vc=1V時(shí)的輸出波形，如下圖所示：可以看出，當(dāng)控制電壓Vc為1V時(shí)，濾波器的截止頻率fc=518Hz（計(jì)算值為517.8Hz）。與Vc=0V時(shí)相比，濾波器能夠通過更高的頻率信號(hào)。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果最后，我們可以根據(jù)上述的電路設(shè)計(jì)和電路仿真結(jié)果，進(jìn)行實(shí)際的電路實(shí)驗(yàn)。電路實(shí)驗(yàn)中，我們以R=10kΩ、C0=10nF為基礎(chǔ)參數(shù)，通過調(diào)節(jié)可控電壓源Vc的大小，改變?yōu)V波器的截止頻率。實(shí)驗(yàn)電路圖如下：在實(shí)驗(yàn)中，我們可以得到不同控制電壓下的輸出波形，如下圖所示：可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電路仿真結(jié)果相符合。當(dāng)增加控制電壓Vc時(shí)，濾波器的截止頻率也相應(yīng)增大，能夠通過更高頻率的信號(hào)。當(dāng)控制電壓Vc增加到一定程度時(shí)，濾波器會(huì)失去作用，輸出波形將變得類似于輸入波形。6.結(jié)論本文介紹了一種基于壓控電壓源的二階低通濾波器設(shè)計(jì)，