基于ORCAD／Pspice10.5的RC带通滤波器的设计与仿真.pdf

第2 6卷第4期 2 0 o 8年 1 2月 集溅 翘 通 讯 j I C HE NGDl ANLU TONGXUN o 1 2 6 N0 4 De c 2 008 基于 0 R C A D P s p i c e 1 0 5 的 R C带通滤波器的设计与仿真 王晓 臣 刘海亮 中国兵器工业第 2 1 4研 究所 蚌埠2 3 3 O 4 2 摘要 简要介绍 P s p i c e 1 0 5的特点以及其有源滤波器仿真的基本方法 对有源滤波器的设计方 法进行 了详细的分析 实现 了巴特沃斯带通滤波器设计 并用仿真软件 P s p i c e 对设计结果进行 了仿真 关键词 有源模拟滤波器 巴特沃斯仿真设计 1 引 言 随着数字化进程 的不断推进 数字滤 波器越 来越广泛的应用在各个领域之中 但是模拟滤波 器凭借自 身的优势仍然有很高的研究价值 所有 数字系统的前端 一般需要一个对微弱信号预处 理的部分 在抽样量化之前还需要一个对信号最 高频率进行限制 的处理 这些都只能使用模拟滤 波器 R C有源滤波器是模拟滤波器 中最实用 应 用最广泛的滤波器 其标准化 电路 的种类很少 仅使用运放 及 R C元件 因此非常便 于集成 这 给推广应用带来革命性影响 因为不使用电感 特别是大体积电感 也因为运放在性 能的不断改 进 有源滤波器已经变得 比无源滤波器还有优势 本文介绍了一种常用 R C有 源滤波器 的结构 以 巴特沃斯带通波器没计为例 完成了其设计过程 并利用电子仿真软件 P s p i c e 进行 了仿真 1 O r C A D P s p i c e 1 0 5简介 对于仿真技术而言 目前最流行 的是 以美 国 伯克利分校开 发的 s p i c e为核心 的仿真 软件 而 以S p ic e 为核心开发的最好的仿真软件是 0 r C AD P s p i c e 1 5 其之所以流行就是因为它能很 好地运行在 P c平台上且能很好地进行模拟数字 混合信号的仿真 而且能解决很多设计上的实际 问题 0 r C A D l 0 5在以前版本 的基础上 扩展 了 许多功能 包括 供设计输 人 的 O A D c 印t u r e R 供混合信号模拟用的 P s p ic e R A U D B a s i c s 供电路 板设计的 O r I A D L a y o u t R以及供高密度电路板 自 动绕 线 的 S P E C c T R A R 4 u 新 加 入 的 S P E C C T R A 用 以支持 日益复杂的各种高速 高密度印 刷电路板设计 O r l A D P S p i c e 1 O 5软件的功能特点有 1 对模拟电路不仅可进行直流 交流 瞬态 等基本电路特性 分析 而且可进行参数扫描分析 和统计分析 2 以 O r C A D C a p t u r e作 为前端 除 了以利 用 c a p t u r e的电路 图输入这一基本功能外 还可 以实现 O r C A D中设计项 目统一管理 3 将 电路模拟结果和波形显示分析两个模 块集成在一起 P mb e 只是其中的一个窗 口 在屏 幕上可 同时显示波形 和输 出文本 等 内容 P r o b e 还具有电路性能分析功能 4 使用 P S p i c e优化器能调整电路 在一定 的约束条件下 对 电路的某些参数进行调整 直到 电路的性能达到要求为止 2 R C有源滤波器 的设计 根据线性系统理论 n阶滤波器的传递函数 的一般形式为 1 式中 m n 一个复杂的传递函数可以分 解成几个简单 的传递 函数 的乘积 一 卜式中 若 n 第 2 6 卷 第 4 期 篆域 姜 1 5 为偶数 可分解为 n 2个二阶滤波器的级联 而若 n为奇数 则可分解成一个一阶滤波器和 n 1 2个二阶滤波器的级 联 一阶 二 阶滤波器是 构 成高阶滤波器的基本单元 二阶滤波器单元传递 函数可 以写为 A 其 中分 子 系数 b b b 决定 了传递 函数的零点位置 即决 定滤波器类型 低通 高通 带通 带阻 分母系 数 决定滤波器的特性 本文介绍的滤波器 结构是压控电压源型 V c V S 电路结构如下 2 1 压控 电压源电路分析 图 l 压控压源双二次型典型 电路 由理想运算放大器性质可知 虚短 时 u U一 虚断 时 I I 一 O 在 图 1 中我们 可看到 创 1 即为放大器零输入 的电压增益 在节点 a 处列 K C L方程 I I 2 I 3 一 一 y 3 3 一 将 l 3 u Y 4带 人式 2 方 l茔口 J 得 而 3 式 3 中 当 Y Y Y Y 不 同器 件 的导 纳 取不同的值时就代表不同的滤波器 低通滤 波器的传递函数为 4 s2 芳 s 其 中 t o 为低通滤波器 的截 l 频率 0为品质 O 因数 Y Y 为电阻元件 Y Y 为电容元件 1 Y1 Y2 Y3 Y4 高通滤波器的传递函数为 一 5 s 把 Y Y 换成 电容元件 Y Y 换成 电阻元 件 即可得 带通滤波器的传递函数为 兰 6 s c o 为带通滤波器的中心频率 但其不能由图 1 所示框图实现 要做一些变动 通过低通和高通 滤波器的级联可得到带通滤波器 3 仿真实例 通过以上分析 我们以带通滤波器设计为例进 行说明 并利用 P s p i c e 进行仿真 一阶滤波器电路 最简单 但带外传输系数衰减慢 一般在带外衰减 特性要求不高的场合下选用 带通滤波器的性能 指标为高频 l 0 k H z 低频4 k H z 可见其频带较宽 当 l 6 纂溅 躐遒藏毫 第 2 6 卷 第 4 期 要求带通滤波器的通带较宽时 可用低通滤波器和 高通滤波器混合而成 这 比单纯用带通滤波器要 好 本文采用一个二阶低通和一个二阶高通滤波 器级联实现带通滤波器设计 设计步骤如下 3 1 计算电路中各参数值 3 1 1 图 3中低通滤波器的归一化传递 函 4 数为A s J 其巴特沃斯低通滤 s 波器传递函数的分母多项式为s s l 对比 传递函数分母可得 Q 2 3 1 2 低通滤波器的截止角频率 2 2 7 r 1 0 l 0 7 Rl R 2 cc 1 一 专 志圳 矗 一 一 一 l I 一 q l Q JR 1C R 2C l 尺 2 C 1 2 2 仃 l O l 0 8 3 取 c F F O o 0 1 F将其代入式 7 和 8 可求得 1 1 2 6 力 R2 2 2 5 2 Jj 3 1 4 A l 2所 以 R R 又知 R 圈 2帝 遗 耀 汲 雷 葺 伐 计 黾 蹯 圈 3 1 5 同理可确定高通滤波器各个参数的 本吻合 值 最 终各 参 数值 如图2 所 示 4 结束语 3 2 P s p i c e 仿真及结果 利用 R C有源滤波器设计理论 完成了低通 3 2 1 进入 O r C A D P s p i c e 1 0 5仿真 环境 和高通滤波器的设计 并把低通和高通级联成带 从元件库中调用各参数所用元器件 并设定各参 通滤波器进行仿真 达到了预期效果 R c有源滤 数值 其最终电路如图2 所示 波器结构简单 成本低廉 在工业上用途很多 其 3 2 2 对图2 所示电路进行频域扫描 选取 研究价值较高 随着运放精度的不断提高 其性能 1 V 的V a c 作为激励源 扫描方式为 l 0倍频对数 也会越来越好 O r c A D P s p ic e 1 O 5仿真软件为 g h m i D e c a d e 起始频率为 l o 0 H z 终止频 电子仿真技术提供了很广阔的技术平台 其版本 率为 1 0 0 k H z 扫描结果如图 3所示 正在不断更新 功能也越来越强大 同时越来越受 3 2 3 从 图 中曲线可 以看 出 扫描值 4 到广大设计人员的喜爱 第 2 6 卷 第 4 期 釜 瓣 惑 篓 l 7 图 3 A c s w e e p扫描结果 锗 西 慧 程 l 黄萍 等 R C有源滤波器电路 的计算机辅 助分析 J 北京 实验技术与管理 2 0 o 5 1 2 3 9 41 2 杨倬等 基于 L M F l 0 o的有源带通滤波器 设计 J 沈阳 微处理机 2 o o 6 0 2 1 7 7 7 8 3 张为等译 电子电路设计基础 M 北京 电子 工业 出版 社 2 o o 5 1 0 5 李永平 董欣主编 P s p ic e电路设计与实 现 M 北京 国防工业出版社 2 0 0 5 O l 6 王辅春 刘明山等编著 从 实例 中学习 0 A D M 北京 机械工业 出版社 2 0 o 6 1 0 7 丁士圻编著 模拟滤波器 M 哈 尔滨 哈 尔滨工程大学出版社 2 0 o 4 O 3 郑州首条晶圆封装测试生产线投产年产值 1 0 O O万美元 晶诚科 学园项 目是郑州市跨越式发展重点项 目 主要 包括研发 中心总部大楼 封装测试 中心和晶圆 厂三个组成部分 计划总投资 l 0亿 美元 晶圆封装测试 生产线的投产是 晶诚项 目的一个重要节点 产值 可达每年 1 0 o 0万美元 晶圆封装测 试生产线的投产不仅标