光电子电路设计第四章2011版.ppt

光电子电路设计,北京理工大学光电学院,2,第四章 有源滤波器,滤波器的作用是从宽频带的信号中选取有效信号，滤波器包括低通（LPF）、高通（HPF） 、带通（BPF） 、带阻（BEF）和全通（APF）等，常用前3种。,3,理想滤波器 幅频特性（通带内衰减为0，阻带内衰减为）,相频特性（具有线性相位特性）,4,最小相位滤波器的幅频特性与相频特性是相互关联的，不可能同时具有矩形幅频特性和线性的相频特性，而且能满足理想条件之一也相当困难，只能在某种准则下逼近理想滤波器。 实际滤波器设计逼近原则 最平幅度（Butterworth）逼近 原点处有最大的平坦幅度 Butterworth滤波器 等纹波（Chebyshev）逼近 整个通带内都有较好的逼近 Chebyshev滤波器 最平时延（Bessel）逼近 在通频带内提供平坦的幅度和线性相位 Bessel滤波器 Cauer逼近 同时使通带最大衰减减小，阻带内最小衰减增大 椭圆（Eliptic）滤波器,5,无源滤波电路 仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成 结构简单 无需外加电源 可以用于高电压大电流负载 通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化 有源滤波电路 电路除无源元件外，还由有源元件（晶体管、场效应管、集成运放）组成 一般由RC网络和集成运放组成，必须在适合直流电源作用下才能正常工作 不用电感，体积小，重量轻，不需加磁屏蔽 可加电压串联负反馈，使Ri高、Ro低，在输入与输出之间有良好的隔离性 除能滤波外，还能将信号放大，而且Auo易调节 不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处理 不适宜高频范围，一般使用频率较低,6,无源滤波器及其特性 RC一阶低通滤波器,RC串联电路 幅频特性 相频特性,截止频率,7,RL一阶低通滤波器,RL串联电路 幅频特性 相频特性,特征频率,8,一阶无源滤波器负载影响,总运算阻抗,电压传递函数,截止频率,无源滤波器通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，在低频时需要用大电容或大阻值滤波电阻R，在负载较重时需要采用有源滤波器。,9,有源滤波器 一阶低通有源滤波器 为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影响，采取的措施是在无源滤波电路和负载之间加一个高输入阻抗，低输出阻抗的隔离电路。,同相输入,同相输入的频率特性与无源的RC一阶低通滤波器（不带负载时）相同,反相输入（一阶比例积分器）,频率特性,截止频率,10,一阶高通有源滤波器,同相输入形式,频率特性,截止频率,对数幅频特性,11,高通/低通滤波器转换,低通滤波器传递函数,高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，将低通滤波器中滤波环节的电容、电阻对换就可得各种高通滤波器。,放大倍率,高通滤波器传递函数,12,频率特性,一阶低通滤波器,一阶高通滤波器,13,二阶有源滤波器,一般形式（电压控制电压源电路）,节点方程,一阶滤波器有较好的带负载能力，但过渡带还是较宽，在要求较高时需要高阶滤波器。高阶滤波器常常由一阶和二阶滤波器（必须采用2个储能元件）级联组成。,14,电压传递函数,低通滤波器,当1.414时，幅频特性出现峰值，因此阻尼系数的选取不宜太大或太小。,15,加入正反馈的二阶滤波器（赛林-凯电路） 为了达到幅频特性曲线在0足够快的衰减，可以适当引入正反馈补偿R1和R2上的压降。,16,节点方程,低通滤波器,17,的选择,的幅频特性,最平幅度特性（Butterworth）,18,等纹波特性（Chebyshev）,19,归一化问题,20,Af 1归一化问题,电压传递函数,二阶高通滤波器,21,电压传递函数,高通滤波器幅频特性是低通滤波器的镜像，将高通、低通滤波器传递函数的0与1/ 0互换，即可实现频率转换,对数幅频特性,22,带通滤波器 频率特性,4.带通/带阻有源滤波器,幅频特性,23,二阶多路反馈带通滤波器,24,带阻滤波电路（BEF）,带阻滤波器是用来抑制某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过，所以又称陷波器。 用LBF和HPF相并联可构成BEF，又称为双T选频网络 将双T网络后面接一个同相比例电路，形成基本的BEF,传递函数,25,幅频特性,通带截止频率,阻带,26,为了减小阻带宽度，提高选择性，应使中心频率f0附近的幅值加大，所以引入一个正反馈，形成典型二阶带阻有源滤波器。,27,若电路需要改变正弦信号的相位，而且希望输出电压与输入电压的幅值比为常数，不随频率变化而变化，这样的电路称为全通滤波电路（APF），或称为移相电路。 将RC移相网络输出给同相比例电路，并将同相比例电路中R1接地端改接输入端，即可实现。,5.全通滤波器,28,6.开关电容滤波器,原理,它用两个模拟开关S1 、S2 和一个电容C1 构成的开关电容网络替代了标准积分器中的R 当开关S1闭合时,C1 被VI 充电；当开关S2 闭合时，电容C1 储存电荷为:qc = C1 (VI - VO ) 。在一个周期内,由输入端流向输出端的平均电流为 I = qC / TC = C1 ( VI - VO ) f CLK 当输入时钟频率足够高时, 可以认为这个过程是连续的, 好象输入端与输出端之间存在一个等效电阻 Req = I / C1 fCLK 中心频率f0 = f CL K C1 / 2C2 (设R2 = R4 ) 。通过改变电容比值C1 / C2 或时钟频率可控制滤波器中心频率,29,特点,与连续有源滤波器相比, 开关电容滤波器可以提供较稳定的中心频率（一般在集成电路中, 电容比值的精确度可以控制在0.1 %以内, 改变电容比能够较精确的控制中心频率） 在对滤波器中心频率要求较高的场合，可选用外部时钟控制