RC有源滤波器的设计.ppt

RC有源滤波器的设计 本课题介绍的有源滤波器快速设计方法 具有计算简单 元器件少 电路调整方便等优点 通过学习 要求掌握最基本的二阶滤波器设计方法与性能参数测试技术 课题四RC有源滤波器的快速设计 课题引入补充内容滤波器分类滤波器设计软件滤波器阶数有源滤波器和无源滤波器的原理及区别 滤波器分类 按元件分类 滤波器可分为 有源滤波器 无源滤波器 陶瓷滤波器 晶体滤波器 机械滤波器 锁相环滤波器 开关电容滤波器等 按信号处理的方式分类 滤波器可分为 模拟滤波器 数字滤波器 按通频带分类 滤波器可分为 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器等 除此之外 还有一些特殊滤波器 如满足一定频响特性 相移特性的特殊滤波器 例如 线性相移滤波器 时延滤波器 音响中的计杈网络滤波器 电视机中的中放声表面波滤波器等 按通频带分类 有源滤波器可分为 低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 等 按通带滤波特性分类 有源滤波器可分为 最大平坦型 巴特沃思型 滤波器 等波纹型 切比雪夫型 滤波器 线性相移型 贝塞尔型 滤波器等 按运放电路的构成分类 有源滤波器可分为 无限增益单反馈环型滤波器 无限增益多反馈环型滤波器 压控电源型滤波器 负阻变换器型滤波器 回转器型滤波器等 滤波器设计软件 理论上的计算方法 虽然我们可以借助于各种计算软件 简化计算过程 但毕竟不够简洁 而且不能立即的得到直观的仿真结果 幸而 随着计算机的发展 有越来越多的商业设计软件面世 并且有很多的第三方免费软件可以选择 当然 这些免费软件大多只是将计算与显示合一 在功能上有一些限制与不足 但如果设计者经验较为丰富 又或者只是作为研究用途而没有太高的要求 那么还是建议使用这些软件 商业设计软件如Matlab ADS AnsoftDesigner MicroWaveOffice等 通常都是将滤波器设计作为一个附加功能加入主程序当中的 这些软件的优点在于可以较为精确的模拟实际元件的行为 比如用户可以指定元件的Q值 因而得到的结果更加具有意义 滤波器阶数 按照传输系数表达式中 关于频率 代数式的最高次数确定 比如 RC滤波器是一阶的 LC滤波器是二阶 二级RC滤波器级联也是二阶 有源滤波器和无源滤波器的原理及区别 无源滤波器 这种电路主要有无源元件R L和C组成 有源滤波器 集成运放和R C组成 具有不用电感 体积小 重量轻等优点 集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高 输出电阻小 构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用 但集成运放带宽有限 所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高 有源滤波器和无源滤波器的原理及区别 虽然无源滤波器具有投资少 效率高 结构简单及维护方便等优点 在现阶段广泛用于配电网中 但由于滤波器特性受系统参数影响大 只能消除特定的几次谐波 而对某些次谐波会产生放大作用 甚至谐振现象等因素 随着电力电子技术的发展 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器 ActivePowerFliter 缩写为APF 有源滤波器和无源滤波器的原理及区别 APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等 相位相反的电流 使电源的总谐波电流为零 达到实时补偿谐波电流的目的 它与无源滤波器相比 有以下特点 a 不仅能补偿各次谐波 还可抑制闪变 补偿无功 有一机多能的特点 在性价比上较为合理 b 滤波特性不受系统阻抗等的影响 可消除与系统阻抗发生谐振的危险 c 具有自适应功能 可自动跟踪补偿变化着的谐波 即具有高度可控性和快速响应性等特点 一 滤波器的传输函数与性能参数 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器 其功能是让一定频率范围内的信号通过 抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号 可用在信息处理 数据传输 抑制干扰等方面 但因受运算放大器频带限制 这类滤波器主要用于低频范围 根据对频频率范围的选择个同 可分为低通 高通 带通与带阻等四种滤波器 它们的幅频特性如图所示 一 滤波器的传输函数与性能参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 具有理想的幅频特性的滤波器是很难实现的 只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的 巴待沃斯 BuMerw th 最大平坦响应和切比雷夫 chebysber 等波动响应 在不允许带内有纹波的应用中 采用巴持沃斯响应的滤波器较好 切比雪夫如果给定阶数m和带内允许的偏差 采用切比雪夫响应的滤波器较好 其阻带衰减速率比巴特沃斯响应的要大得多 但切比雪夫滤波器的相频持性比巴待沃斯约要差 一 滤波器的传输函数与性能参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 二阶RC有源滤波器的传输函数 一 滤波器的传输函数与性能参数 二阶RC有源滤波器的结构输入阻抗很高 输出阻抗很低 滤波器相当于一个电压很 故称这种电路为电压控制电压源电路 其优点是电路性能稳定 增益容易调节 一 滤波器的传输函数与性能参数 反相输入接法 其优点是电路有倒相作用 使用元件较少 但增益调节不太方便 对其它性能参数会有影响 其应用范围比vcvs电路要小 一 滤波器的传输函数与性能参数 二 滤波器的快速设计方法在设计滤波器时 通常给定的性能指标有截止频率f 或截止角频率Wc 带内增益d以及滤波器的品质因数对于二阶低通 或高通 滤波器 通常取Q 0 707 因为在截止频率Wc处的幅频特性较为合适 一 滤波器的传输函数与性能参数 二 滤波器的快速设计方法现在有人将具有巴特沃斯响应 切比雪夫响应的n 2 3 8阶各种类型的有源滤波器的电路及其所用的RC元件的值制成设计表 设计人员只需要查表就能得到滤波器的电路及RC元件的值 称这种查表法为有源滤波器的快速设计方法 一 滤波器的传输函数与性能参数 二 滤波器的快速设计方法1 根据截止频率 从图中选定一个电容c的标称值 一 滤波器的传输函数与性能参数 二 滤波器的快速设计方法 计算参数 一 滤波器的传输函数与性能参数 二 滤波器的快速设计方法3 从设计表中查出Av对应的电容值及K 1时的电阻值 再将这些电阻值乘以参数K便可得到滤波器电阻的设计值 4 修改参数 绘制幅频特性曲线 达到设计的性能指标 三 设计举例 设计一个二阶压控电压源低通滤波器 要求截止频率fc 2kKz 增益Av 2 一 滤波器的传输函数与性能参数 三 设计举例解 由于滤波器的阶数