低通滤波器的设计.doc

1低通滤波器的几种方式对比巴特沃思型滤波器的特点是通带内比较平坦，但是衰减较慢；切比雪型滤波器的特点是通带内有等波纹起伏，衰减较快，但相位特性和群延时特性不太好；逆切比雪夫型滤波器的特点是阻带内有等波纹起伏，阻带内有零点，由于椭圆形滤波器比它能得到更好的截止特性，因而它不太使用；而椭圆函数型滤波器的特点是通带内和阻带内都有等波纹起伏。贝塞尔滤波器是通带内延时特性最好，因而这种滤波器能够无失真的传送信号，但其截止特性相当差。ltc1560-1允许通带内有有波动（采用无波动的巴特沃斯滤波器，如果调解参数，衰减速度如果也能满足要求，那样更好），0.55倍截止频率时为0.2db，0.9倍截止频率时为0.3db，在衰减带要求是2.43倍截止频率时为63db，在10倍截止频率时是60db以上。考虑以上要求，巴特沃思型滤波器、切比雪夫型滤波器、椭圆形滤波器都有可能满足要求，而贝塞尔滤波器由于截止特性相当差（ltc1560-1对于截止频率有要求），逆切比雪夫滤波器一般由椭圆形滤波器取代，所以先考虑前三种滤波器。切比雪夫型滤波器和椭圆形滤波器的相位特性和群延时特性不太好，虽然衰减较快，但是较容易失真。本设计要求截止频率为1mhz，不是太高，采用巴特沃斯滤波器虽然衰减较慢，但是应该可以在此频率下达到要求，故优先采用巴特沃斯滤波器，后又用切比雪夫滤波器与巴特沃斯的结果进行对比，发现切比雪夫滤波器波动太大，远远超出了ltc1560的要求，而六阶巴特沃斯滤波器与ltc1560的特性最相似，仅仅在0.9倍截止频率时大于0.3db，但这是几种设计中最理想的情况。2 低通滤波器参数设计设计模拟滤波器有两种方式：采用滤波器设计软件和手工方式设计。为了对各种情况的优劣进行对比，先采用巴特沃斯设计，后采用切比雪夫设计，并且在两种设计中，先用filterlab软件设计，再用手工设计。ltc1560的指标：通带截止频率：fc =1m通带最大衰减：0.3db阻带截止频率：2.43mhz阻带最小衰减：60db手工设计四阶巴特沃斯滤波器的步骤如下（五阶，六阶方法一样）：（1）选择电容值，计算电阻r1，r2，r3，r4的值。因为电阻值一般在几百欧到几百千欧以内，所以由r=1/2*pi*fc*c,选择电容为390pf,计算得电阻值为408欧。（2）选择r5，r6，r7，r8的阻值。四阶巴特沃斯滤波器的总的增益由两部分组成a1=1.152，a2=2.235，因此总的通带增益是a=a1*a2=2.575.为了减小偏置电流的影响，应尽可能使加到运放的同相端对地的直流电阻与反相端对地的直流电阻基本相等。1+r5/r7=1.152,r5/r7=r1+r2，可以计算得到r5=1.06k,r7=6.9k.同样可以计算出r6，r8的值为2.05k，1,65k.(3)因为要求的增益是1，所以可以在输入端接一个电阻，以减小增益，如上图，其中a*r1/（r1+r9）=1，而r1/r9=r2=408，这样算得的r1=1.05k,r9=0.67k.手工设计四阶切比雪夫滤波器的步骤,这里采用的是查表法(五阶六阶设计原理一样)。无论是巴特沃斯滤波器还是切比雪夫滤波器，电路形式是完全一样的，只是参数不同。（1）选择一个电容的标称值，用公式k=100/fc*c1,计算出k值。选择c1=51pf,得k=1.96（2）从设计手册查出c2=0.0027c1，和对应于k= 1时的第一节电阻值r1=7.22k,r2=12.219k，第二节电阻值r1=2.994k,r2=5.050k,再将这些电阻值乘以k=1.96就得到设计滤波器所要求的实际电阻值,第一节电阻r1=14.15k,r2=23.949k,第二节电阻r1=5.568k,r2=9.898k防止振荡：接地线不合理或者电源的干扰，都会引起电路的振荡。可以采取以下措施：（！）（在画pcb时）放大电路的输入线与输出线、交流电源线要分开走，不能平行走线，输入走线愈长，愈容易引起干扰。（2）交流电源串入的干扰可以采用浮地方式来减小，就是将交流地线与直流地线分开，只有交流地线接大地，这样可以避免交流干扰由公共地线串入。3电路结构图及spice仿真结果如下：（1）采用filterlab软件进行巴特沃斯低通滤波器设计如下：四阶低通滤波器电路图如下：仿真结果如下：测量得1mhz（截止频率）时的输出电压为690.369mv,而输入电压为1v，所以有公式-20logvi/vo,得出此时的增益下降了3.2db,基本与理论上的3db相等。衰减速度分析：由上图可知，在2.43倍截止频率时，即为2.43mhz，输出电压为28.339mv，算出的增益下降了30db,没有达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为1.0959mv,计算得出的增益下降了59db，基本满足ltc1560要求。0.55倍截止频率时，电压为0.991061v,下降了0.078db,0.9倍截止频率时为0.703797v,下降了3db，均不满足要求。五阶低通滤波器结构及电路仿真：仿真结果如下所示：由上图可知，截止频率处的输出电压为671.410mv,计算出增益下降了大约3.46db。衰减情况分析：由上图可知，在2.43倍截止频率时，输出电压为25.309mv，算出的增益下降了31.9db,没有达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为281.249uv,计算得出的增益下降了71db，满足ltc1560的要求。0.55倍截止频率时，电压为1.0108v,上升了0.097db,0.9倍截止频率时为0.678430v,下降了3.3db，均不满足要求。六阶低通滤波器电路及仿真：仿真结果如下：测量得1mhz（截止频率）时的输出电压为682.216mv,而输入电压为1v，所以有公式-20logvi/vo,得出此时的增益下降了3.3db,基本与理论上的3db相等。由上图可知，在2.43倍截止频率时，输出电压为15.529mv，算出的增益下降了36db,没有达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为107.063uv,计算得出的增益下降了79db，满足ltc1560的要求。0.55倍截止频率时，电压为1.0115v,上升了0.097db,0.9倍截止频率时为0.688895v,下降了3.2db，均不满足要求。以上filterlab软件设计的巴特沃斯低通滤波器均没有达到要求。考虑采用手工方式设计，主要是因为以上软件设计的滤波器电阻都较小，而设计滤波器时一般电阻都选择在几百欧到几十千欧，所以我用手动方式设计了滤波器，发现结果更理想，并且所选择的电阻值适中，还设计了匹配电阻，减小了偏置电流的影响。以下是手工设计的电路图和电路仿真及结果分析。（2）手工方式进行设计结果如下：四阶巴特沃斯低通滤波器电路图仿真结果如下所示：由上图可知，截止频率处的输出电压为706.148mv,计算出增益下降了大约3.09db。衰减情况分析： 由上图可知，在2.43倍截止频率时，输出电压为54.402mv，算出的增益下降了25db,没有达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为1.1575mv,计算得出的增益下降了59db，不满足ltc1560的要求。0.55倍截止频率时，电压为0.989141v,下降了0.16db,满足要求，但是0.9倍截止频率时为0.767262v,下降了2.4db，不满足要求。五阶低通滤波器结构及电路仿真：仿真结果如下：由上图可知，截止频率处的输出电压为688.320mv,计算出增益下降了大约3.2db。衰减情况分析： 由上图可知，在2.43倍截止频率时，输出电压为28.695mv，算出的增益下降了30db,没有达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为147.763uv,计算得出的增益下降了76db，满足ltc1560的要求。0.55倍截止频率时，电压为0.989141v,下降了0.15db,满足要求，但是0.9倍截止频率时为748.241mv,下降了2.5db,不满足要求。六阶低通滤波器电路及仿真：仿真结果如下：测量得1mhz（截止频率）时的输出电压为682.216mv,而输入电压为1v，所以有公式-20logvi/vo,得出此时的增益下降了3.2db,基本与理论上的3db相等。衰减情况分析： 由上图可知，在2.43倍截止频率时，输出电压为15.826mv，算出的增益下降了56db,基本达到ltc1560的要求。在10倍截止频率（10mhz）,输出电压为37.986uv,计算得出的增益下降了88db，满足ltc1560的要求。0.55倍截止频率时，电压为0.982291v,下降了0.17db,满足要求，但是0.9倍截止频率时为748.734mv,下降了2.5db。（3）用filterlab软件进行六阶切比雪夫低通滤波器设计如下：从以上结果可以看出，在截止频率1m处，衰减远大于0.3db,并且在通带内有很大的波动，约为2.5db,但是它的衰减比巴特沃斯滤波器要快，在1.78m时，幅值已经接近于0了，衰减了55db。但是由于截至频率约为770k左右，与1m相差太远，并且电阻选择太小，所以不采用这种方式。（4）手工设计六阶切比雪夫低通滤波器设计如下：当选择的电容c1=100pf时， 由以上结果可知，在314.016k时出现一个峰值，上升了5db,当下降3db时，频率只有468.524k，与理论上的截止频率相差太远。而在1m时，衰减到了4.9615mv,几乎为0了，所以，此结果很不合理。当选择的电容c1=10pf时，由上可知，当衰减3db时，截止频率只有70.398k，与1m相差太远，当频率为1m时，幅值只有37.961uv,基本上为0，所以此参数也不合理。经过多次尝试，设计的切比雪夫滤波器均不能满足要求。综上考虑，采用六阶巴特沃斯滤波器所得到的特性曲线最符合要求。4 低通滤波器电路原理图与pcb设计电路原理图：从原理图到pcb图的完整步骤：1 建立一个项目工程2 建立一个原理图文件3 进行原理图环境设置4 画原理图5进行编译6 生成网络表7 保存8建立pcb文件9 进行pcb文件环境参数设置10 调入网络表，再excute11 对电路进行重新排列12 布线13 铺铜14 存盘 画原理图注意事项：1 调入一个元件时，要注意三个参数：元件名，参数值，元件封装都要进行设置2 有时会出现封