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第二节 滤波电路及其应用 一、滤波器基本知识 滤波器的功能和类型 功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 滤波电路的分类 1. 按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器 2. 按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器 3. 按电路功能分类: 低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器 4. 按阶数分类: 一阶，二阶 高阶 5. 按输出波形的逼近分类: 巴特沃斯逼近，切比雪夫逼近，贝赛尔逼近 无源滤波器由无源元件R、L、C组成。 缺点 1. 带负载能力差。当RL变化时,输出信号的幅值将随之改变,滤波特性也随之变化。 2. 无放大作用。由于R及C上有信号压降,使输出信号幅值下降。 3. 过渡带较宽，幅频特性不理想，边沿不陡。 有源滤波器由有源器件集成运放和无源元件R、C组成。 优点： 1.运放本身对RC网络影响小 2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。 3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。 缺点： 1. 不宜用于高频。因为通用型集成运放的带宽一般较窄。一般使用频率在几千赫以下。 2. 不宜在高电压、大电流情况下使用。 3. 可靠性较差。 4. 使用时需外接直流电源。 种波器的幅频特性 滤波器输出波形逼近 （一）巴特沃斯逼近 幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。但斜率较差其幅频特性为,阶跃响应有过冲。 （二）切比雪夫逼近 允许通带内有一定的波动量Kp，衰减斜率较陡。 （三）贝赛尔逼近 主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。 滤波器的主要特性指标 1、特征频率： 通带截频fp=wp/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 阻带截频fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 固有频率f0=w0/(2) 为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 2、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽，w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。 4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。 5、群时延函数 为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。 二、无源滤波电路 一阶滤波电路 无源二阶滤波电路 二阶RC无源滤波电路可获得较陡的衰减斜率，更好的衰减通带以外的频率成分。一般电路设计电路中常采用参数相同的电阻和电容，若要取得更好的滤波效果常采用R1=K*R2，C2=K*C1，K=10。这样既保证截止频率的一致性，又能错开电容的谐振频率点，起到更好的滤波效果。 三、有源滤波电路 压控电压源型滤波电路 二阶压控型高通滤波器 压控带通滤波器 带通滤波器只让某一频段的信号通过，而将此频段外的信号加以抑制或衰减，其理想幅频特性如图： 带通滤波器可由以1为截止角频率的高通滤波器和以2为截止角频率的低通滤波器串联而成。其组成原理为： 带阻滤波器用来专门抑制某一频段的信号，而让此频段以外的所有信号通过，其理想幅频特性如图： 带阻滤波器可由一个高通滤波器和一个低通滤波器并联而成。或由带通滤波器与一减法器相连而成。 有源滤波器设计 有源滤波器的设计主要包括以下四个过程： 确定传递函数 选择电路结构 选择有源器件 计算无源元件参数 设计方法： 公式法 图表法 计算机辅助设计法和类比法 计算机辅助设计法 1、通用EDA软件(multisim7) 2、各IC公司的专业滤波器设计软件 如：MAXIM公司， Burr-Brown的 filter42 Linear Technology : FilterCAD 3.0 集成有源滤波器 集成化是电子技术发展的必然趋势。 集成有源滤波器主要分为两类： 双二阶环滤波器 开关电容技术 除了美信公司的集成滤波芯片外，还有美国Lin