高阶模拟滤波器的设计和分析报告.doc

摘要 信息时代的主要特征是信息传递速度快，信息的发射和接收装置是电子设备，这些电子设备无一例外的都应用到滤波器。而滤波器的好坏直接决定着传递信息的质量。因此设计开发工作频率高、温度稳定性好、体积小、重量轻、非线性误差小，对元件灵敏度低的滤波器，不但可以提高滤波器的降噪能力，提高滤波器的集成度，还可拓宽滤波器应用领域，推进电子通信行业向纵深发展。 论文的主要内容有： 1.高阶模拟滤波器的设计和分析。通常设计高阶有源滤波器的基本方法是基于对LC网络模拟的设计方法。本论文主要讨论基于对双端接电阻的LC梯形网络模拟的高阶有源滤波器的设计法。这是一种以无源LC梯形网络为基础来设计有源RC滤波器和其他有源滤波器的最基本的方法。主要包括对LC梯形网络工作的模拟和对LC梯形网络元件的模拟两种方法。双端接电阻或双端接载的LC梯形网络从信号源到负载传输的功率最大时，网络具有很低的灵敏度。所以用基于对LC梯形网络模拟的方法设计出的有源滤波器也具有比较低的灵敏度。 2.HSPICE软件的应用。模拟滤波器仿真次数多，输出数据量大，利用HSPICE仿真软件以文本文件形式输入输出的特征，以及电路描述简单，元件模型完备的特点，设计实现了对高阶模拟滤波器的仿真。目录第1章 绪论.1 1.1 滤波器理论的发展.1 1.2 有源滤波器介绍.2 1.3 滤波器研究现状.2 1.4 本章小结.3第2章 基于对LC网络模拟的高阶有源RC滤波器的分析与设计.4 2.1 全极点低通滤波器的分析与设计.5第3章 HSPICE实现.3.1 HSPICE仿真软件.第4章第1章 绪论1.1滤波器理论的发展 自从人类进入电气时代，特别是电子产品进入人类的生活,人类生活发生了翻天覆地的变化。以前的电子产品功能比较单一，且观看效果比较差，比如以前的电视机，观看的时候发现图像背景上有大量的雪花，这些雪花其实就是电视的滤波性能不好，滤波器技术不成熟造成的结果。可以这样说，所有的具有信号接收和处理的电子产品中都用到滤波器，凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用非常广泛。在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究,生产历来为各国重视。 1915 年滤波器理论开始，当时美国的坎贝尔（Campbell）,德国的华格纳（Wagner）分别发明了滤波器。滤波器的发展实质上是沿着所谓的“经典滤波器理论”和“现代滤波器理论”这样两个方向发展起来的。经典理论的创始人可以说是坎贝尔，若贝尔（Zo bel）等人，他们在 20 世纪 20 年代发展起来的。其中心内容用影象参数法来设计无源集总滤波器。现代滤波器理论是有柯尔（Cauer）,达林顿（Darlington）等人，在 20 世纪 30 年代发展起来的。它比经典理论更有普遍性，更加有效。其包括用转移函数对滤波器技术指标的近似，以及精确实现此转移函数的方法来设计网络。于是，近似问题和实现问题就需要用最优的和精确的方式来解决了。 滤波器分类方法包括：按照滤波器所处理信号是模拟信号还是数字信号，可以将滤波器分成模拟滤波器和数字滤波器；按照滤波器所处理信号的频率来分类，可以将滤波器分成低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、全通滤波器；当然按照滤波器所使用的元件的不同，可以将滤波器分成无源滤波器和有源滤波器。1.2 有源滤波器介绍 有源滤波器是用有源元件代替无源元件以实现滤波功能的有源电路。有源 RC 滤波器最早可追溯到 1938 年斯科特（Scott）的选择放大器，但是直到 1954 年林伟尔（Linwill）用转移阻抗综合，提出负阻抗变换器这种技术，这才做出第一个真正的有源滤波器。有源滤波器进行大量的研究从那时起才开始对。在 1956 年谢诺伊（Shenol）提出用回转器实现滤波器以及运算放大器以后，对有源滤波器的研究才开始迅速发展。在 1967 年，赖尔登（Riordan）用差分放大器模拟电感，这样基于级联的有源 RC 滤波器理论和设计，在六十年代才得到完善并日趋成熟。 为了克服级联结构滤波器的元件灵敏度高的问题，在 1966 年，奥查德（Orchard）提出双终端无源 LC 滤波器是最佳结构之理论。并且直到现在才出现了模拟双终端的新方案，如各种直接无源 LC 滤波器和有源 RC 滤波器。在 1969 年，布鲁顿（Bruton）提出的频变负阻抗受到较多的重视。有源元件的发展快，品种多，质量也在逐步提高，促使了有源滤波器的发展，各种高质量有源 RC 滤波器的新方法也不断地涌现。1.3 滤波器研究现状 随着通信技术，自动化，医疗器械等的发展，对信号的接收，处理提出了更高的要求。特别是微弱信号检测，在微弱信号检测中，工频干扰，电路噪声都比要提取的信号功率大，这就需要更好的滤波器和可行的设计方法才能隔离噪声，提取有用信号。信号处理在很大程度上是选频，这就对滤波器提出了更高的要求，如设计思路，滤波特性，干扰噪声等。优秀的滤波器可以推动电路理论的新发展，可以使设备的精度更高，抗干扰能力更强，可以有效的简化信号处理电路中间级的设计。因此，设计出好的滤波器，或者说好的滤波器设计方法的提出至关重要。人类设计的滤波器开始是无源滤波器，它的使用大大提高了电子产品的功能，优化了视觉效果，之后的滤波器都是沿着这个方向发展，技术趋于成熟，随之也显现了无源滤波装置的自身无法克服的不足和缺陷，如体积大，重量重，特别是当它工作在较低频率时，所需电感比较大，且电感的品质因素比较低，对谐波的滤除率一般只有 80%，严重影响滤波效果和使用范围。由此兴起了有源滤波器设计，20 世纪 50 年代，人们已认识到用有源电路替代电感也可实现无源网络的频率特性，这种用有源电路实现的滤波电路称为有源滤波器。20 世纪 60 年代，人们用电阻，电容和运算放大器构成有源滤波器。20 世纪 70 年代，出现了混合集成的有源 RC滤波器。20 世纪 80 年代以来，滤波器技术飞速发展，出现了多种形式多种结构的全集成滤波器。事实证明，有源滤波器在很多性能比无源滤波器要优。比如全集成有源滤波器特点包括：尺寸小、对谐波的滤除率可达 95%、价格低、可靠性高、可以采用集成工艺大批量进行生产、可以提高增益、重量轻等优点。但有源滤波器也存在着不足，它的工作频率范围受有源器件有限带宽的限制，工作频率不能太高。有些跨导运算放大器的跨导虽然可以通过偏置电流调节，但其传输特性的线性范围窄，非线性误差大，跨导增益容易受到温度影响。传统的有源滤波器都是整数阶的，这在很大程度上限制了有源滤波器的精度。1.4 本章小结 21 世纪是网络时代，随着有线网络的发展，无线网络的发展也突飞猛进。最让读者感同身受的是 10 年前几乎很少有人用手机，或者手机用户很少，但是有一个自己的手机。无线网络的发展需要电子硬件的大力支持。电子的发展必须建立在今天基本人人都滤波器的发展基础之上。第二章 设计高阶有源滤波器的基本方法是基于对LC网络模拟的设计方法。 本章主要讨论基于对双端接电阻的LC梯形网络模拟的高阶有源滤波器的设计法。这是一种以无源LC梯形网络为基础来设计有源RC滤波器和其他有源滤波器的最基本的方法。主要包括对LC梯形网络工作的模拟和对LC梯形网络元件的模拟两种方法。双端接电阻或双端接载的LC梯形网络从信号源到负载传输的功率最大时，网络具有很低的灵敏度。所以用基于对LC梯形网络模拟的方法设计出的有源滤波器也具有比较低的灵敏度。（1） 基于对LC梯形网络工作模拟的有源RC滤波器的设计法 基于对LC梯形网络工作模拟的设计方法是利用前面讨论过的有源RC网络去模拟LC梯形网络的内部工作关系，从而实现有源RC滤波器的一种设计方法。这种方法也称为运算模拟法。 被用来模拟的满足滤波要求的LC梯形网络称为原型LC梯形网络。 LC梯形网络的内部工作关系主要是指元件的伏安关系和电路拓扑中的电压电流关系。 在LC梯形网络中，电感元件和电容元件的v-i关系是积分和微分关系。这些关系可以利用含有积分器的有源RC电路来模拟实现。 另外，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律描述的LC梯形网络的回路电压关系和节点电流关系也可以用有源电路组成的相加器来模拟实现。 因此，用基于对LC梯形网络工作模拟的方法设计出来的滤波器是由有源积分器和相加器组成的有源RC滤波器。我们把这样的设计方法称为基于对LC梯形网络工作模拟的有源RC滤波器的设计法。（2） 基于对LC梯形网络元件模拟的设计法基于对LC梯形网络元件模拟的设计方法是利用具有电感性输入阻抗的有源RC电路替换原型LC梯形网络中的电感元件L，从而实现有源RC滤波器的一种设计方法。这种方法也称为元件模拟法或电感替换法。 用有源电路替代无源电路的一个主要目的是实现电路的微型化和集成化。电感元件是实现电路集成化的一个主要障碍。它的体积比较大，而且非线性比较严重。因此，用有源RC电路替换电感具有非常重要的意义。而且用这种方法设计有源RC电路的原理非常简单，设计过程非常直观。2.1全极点低通滤波器的分析与设计 本节以全极点低通滤波器的设计为例，说明基于对LC梯形网络工作模拟的有源RC滤波器的设计方法和设计步骤。 在下面的讨论中，用小写字母表示原型LC梯形网络中的电压、电流和元件值，用大写字母表示由模拟法得到的有源RC梯形网络中的电压、电流和元件值。 一个双端接电阻的五阶LC梯形网络如下图所示。其中的元件值可以通过滤波器设计手册或计算机辅助设计程序求得，也可以用人工方法求得。vic3rSl2l4c5+- vo-+rLc1 c3rSl2l4 c5 vo-+ rL c1设计步骤如下：1. 列写LC梯形网络的工作方程 为了对N阶原型LC梯形网络的工作情况进行模拟，必须先列写能够完全描述N阶LC梯形网络工作的N个方程。 为了列写方程，首先需要选取网络的变量。必须选取电容电压和电感电流作为LC梯形网络的变量。 因为有源RC滤波器的基本单元电路是积分器，要用每一个积分器来模拟LC梯形网络中一个相应的无源元件的工作特性。因此，LC梯形网络中的电容电压和电感电流通过模拟都会以积分器输出电压的形式出现在有源电路中，其他所有的电压和电流都不会直接出现在有源电路中。 这就是说，所列的N个方程必须只包含电容电压和电感电流以及输入电压。其他的变量必须通过节点电压方程或节点电流方程的关系消去。这样，必须选取电容电压和电感电流作为LC梯形网络的变量。对上图所示的电路，就要选取