第5章 滤波器

1、1TM郑州大学信息工程学院电子信息工程系郑州大学信息工程学院电子信息工程系范文兵范文兵2012年春季年春季电子系统设计与实践电子系统设计与实践第5章 滤 波 器2TM2电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n滤波器或滤波电路是一种能使有用频率信号滤波器或滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它作信号处理、号的电子装置。工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。数据传送和抑制干扰等。5.1 滤波器的分类滤波器的分类3TM3电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系

2、 范文兵 n按滤波器是否使用有源器件（放大器）来分按滤波器是否使用有源器件（放大器）来分可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。5.1 滤波器的分类滤波器的分类4TM4电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.1.1 无源滤波器5.1 滤波器的分类滤波器的分类5TM5电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路。与无源滤波器相比，有源滤波器具有不同电感，因此体积小、重量轻，电路Q值的提高不受电感Q值的限制。另外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又

3、低，构成有源滤波电路后，还具有无源滤波器无法做到的信号放大功能，而且输入输出阻抗容易匹配。有源滤波器的缺点是：由于采用有源器件，需使用电源；功耗较大；集成运放的带宽有限。5.1.2 有源滤波器5.1 滤波器的分类滤波器的分类6TM6电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 1. 低通滤波器低通滤波器低通滤波器的功能是：让从零到某一截止频低通滤波器的功能是：让从零到某一截止频率率 C的低频信号通过，而对大于的低频信号通过，而对大于 C的所有的所有频率则完全衰减，开关电容滤波器技术允许频率则完全衰减，开关电容滤波器技术允许使用片外或片内时钟调整滤波器截止频率。使用片外或片内时

4、钟调整滤波器截止频率。 5.1 滤波器的分类滤波器的分类7TM7电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 2. 高通滤波器高通滤波器高通滤波器的功能是让高于截止频率高通滤波器的功能是让高于截止频率 C的高的高频信号顺利通过，而对从零到阻带频率频信号顺利通过，而对从零到阻带频率 s的的低频信号受到衰减，幅频响应如下页低频信号受到衰减，幅频响应如下页 所示所示。5.1 滤波器的分类滤波器的分类8TM8电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.1 滤波器的分类滤波器的分类9TM9电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 3. 带通

5、滤波器带通滤波器的功能是：让有限带宽（LH）内的频率信号顺利通过，而让此频率范围以外的频率信号受到衰减。 5.1 滤波器的分类滤波器的分类10TM10电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 4. 带阻滤波器带阻滤波器带阻滤波器的功能是：抑制某个频率范围内带阻滤波器的功能是：抑制某个频率范围内的频率信号，使其衰减，而让此频带以外的的频率信号，使其衰减，而让此频带以外的频率信号顺利通过。幅频响应特性对称的带频率信号顺利通过。幅频响应特性对称的带阻滤波器也称为阻滤波器也称为“陷波陷波”器。器。5.1 滤波器的分类滤波器的分类11TM11电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院

6、电子信息工程系 范文兵 n理想滤波器的频率响应在通带内应具有最大理想滤波器的频率响应在通带内应具有最大幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。实际的滤波电路往往难以达到理想的要求，如要同时在幅频和相频响应两方面都满足，如要同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更加困难。因此，一般有源滤波器的要求就更加困难。因此，一般有源滤波器的设计是根据所要求的幅频和相频响应，寻找设计是根据所要求的幅频和相频响应，寻找可实现的有理函数进行逼近设计，以达到最可实现的有理函数进行逼近设计，以达到最佳的近似理想特性佳的近似理想特性 5.2

7、有源滤波器设计原理有源滤波器设计原理12TM12电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n这是一种幅度平坦的滤波器，即其幅频这是一种幅度平坦的滤波器，即其幅频响应从零到衰减响应从零到衰减3dB的截止频率的截止频率 C处于处于几乎是完全平坦的，但在截止频率附近几乎是完全平坦的，但在截止频率附近有峰起，对阶跃响应有过冲和振铃现象有峰起，对阶跃响应有过冲和振铃现象，过渡带以中等速度下降，下降率为，过渡带以中等速度下降，下降率为 6ndB/十倍频，其中十倍频，其中n为滤波器的阶数为滤波器的阶数。有轻微的非线性相频响应，适用于一。有轻微的非线性相频响应，适用于一般性的滤波器。般性

8、的滤波器。5.2.1 巴特沃思滤波器5.2 有源滤波器设计原理有源滤波器设计原理13TM13电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n切比雪夫滤波器在通带内存在等纹波动，而切比雪夫滤波器在通带内存在等纹波动，而衰减度比同阶数的巴特沃思滤波器大，宽的衰减度比同阶数的巴特沃思滤波器大，宽的通带波纹容限增大了其传输带衰减速率，但通带波纹容限增大了其传输带衰减速率，但相位响应畸变较大，适用于需快速衰减的场相位响应畸变较大，适用于需快速衰减的场合，如信号调制解调电路中。在设计切比雪合，如信号调制解调电路中。在设计切比雪夫滤波器时，需要指定通带内的波纹值夫滤波器时，需要指定通带内的

9、波纹值 和和决定阶次决定阶次n的衰减要求。的衰减要求。5.2.2 切比雪夫滤波器5.2 有源滤波器设计原理有源滤波器设计原理14TM14电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 1. 压控电压源（压控电压源（VCVS）低通滤波器）低通滤波器压控电压源电路中的集成运放为同相输压控电压源电路中的集成运放为同相输入接法，因此滤波器的输入阻抗很高，入接法，因此滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称这种电路为电压控制电压源电源，故称这种电路为电压控制电压源电路。其优点是电路性能能稳定，增益容路。其优点是电路性能能稳定，增益

10、容易调节。易调节。5.3.1 低通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例15TM15电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例16TM16电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 2. 二阶无限增益多路反馈（二阶无限增益多路反馈（MFB）低通滤波器）低通滤波器无限增益多路反馈电路中的集成运放为反相输入无限增益多路反馈电路中的集成运放为反相输入接法，由于放大器的开环增益为无限大，反相输接法，由于放大器的开环增益为无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过入端可视为虚地，

11、输出端通过C2、R2形成两条反形成两条反馈支路，故称这种电路为无限增益多路反馈电路馈支路，故称这种电路为无限增益多路反馈电路。其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但。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，对其他性能参数会有影响，增益调节不太方便，对其他性能参数会有影响，其应用范围比其应用范围比VCVS电路要小。电路要小。5.3.1 低通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例17TM17电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 3. 反馈式超低频低通滤波器反馈式超低频低通滤波器利用反馈原理来实现的一阶超低频低通滤波利用反馈

12、原理来实现的一阶超低频低通滤波器，这个电路时间常数可高达数百秒，在自器，这个电路时间常数可高达数百秒，在自动控制、信号检测、信号处理及其他超低频动控制、信号检测、信号处理及其他超低频范围作惯性环节或作超低频积分器，范围作惯性环节或作超低频积分器， 在工在工作频段存较高的积分精度，可有效地避免积作频段存较高的积分精度，可有效地避免积分漂移。分漂移。5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例18TM18电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例19TM19电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程

13、系 范文兵 5.3.2 高通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例20TM20电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.3.2 高通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例21TM21电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n二阶压控电压源带通滤波器二阶压控电压源带通滤波器图为二阶压控电压源带通滤波器的电路图为二阶压控电压源带通滤波器的电路 5.3.3 带通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例22TM22电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程

14、系 范文兵 5.3.3 带通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例23TM23电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n话路滤波器话路滤波器图图5.3.8为话路滤波器的电路图，此滤波器实为话路滤波器的电路图，此滤波器实际上是由一个截止频率为际上是由一个截止频率为 H的二阶低通滤波的二阶低通滤波器和一个截止频率为器和一个截止频率为 L的二阶高通滤波器组的二阶高通滤波器组合而成，其通带范围为合而成，其通带范围为 L H，因而对这，因而对这种形式的滤波器，可根据低通和高通滤波器种形式的滤波器，可根据低通和高通滤波器的设计方法，组合而成。的设计方法

15、，组合而成。5.3.3 带通滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例24TM24电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例25TM25电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.3.4 带阻滤波器的设计5.3 常用有源滤波器的设计实例常用有源滤波器的设计实例26TM26电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n常用的集成滤波器主要有有源RC滤波器和开关电容滤波器两种。有源RC滤波器有单片集成，也有混合工艺制作的模块电路。而开关电容滤波器是一种

16、新型的大规模集成电路，是数模结合的产物，其主要特点是用开关和电容代替电阻。 5.4.1 常用集成滤波器原理5.4 集成有源滤波器集成有源滤波器3.4.3 单电源交流电压放大器27TM27电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.4.2 TLC14集成开关电容滤波器5.4 集成有源滤波器集成有源滤波器TLC14低通滤波器的截止频率fC取决于其时钟频率fCLK，两者之比为1:100，而时钟频率fCLK取决于1，2引脚外接的R、C值， 28TM28电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.4 集成有源滤波器集成有源滤波器29TM29电子系统设计与实

17、践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.5.1 可编程模拟器件概述5.5 可编程模拟器件可编程模拟器件1. 负温度系数热敏电阻器（NTC）Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路，翻开了模拟电路设计方法的新篇章。为电子设计自动化（EDA）技术的应用开拓了更广阔的前景。与可编程逻辑器件PLD一样，在系统可编程模拟器件允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。系统可编程器件可实现信号调理、信号处理和信号转换三种功能。信号调理主要能够对信号进行放大、衰减、滤波。信号处理是指对信号进行求和、求差、积分运算。信号转换是指

18、能把数字信号转换成模拟信号。30TM30电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.5.2 在系统可编程模拟电路的结构5.5 可编程模拟器件可编程模拟器件31TM31电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 5.5 可编程模拟器件可编程模拟器件1. 负温度系数热敏电阻器（NTC）32TM32电子系统设计与实践 郑州大学信息工程学院电子信息工程系 范文兵 n用三个运算放大器可以实现双二阶型函数的用三个运算放大器可以实现双二阶型函数的电路，而双二阶型函数能实现所有的滤波器电路，而双二阶型函数能实现所有的滤波器函数，包括低通、高通、带通和带阻滤波器函数，包括低通、高通、带通和带阻滤波器双二阶函数的表达式为，式中双二阶函数的表达式为，式中m=1或或0，n=1或或0。n这种电路的灵敏度相当低，电路容易调整。这种电路的灵敏度相当低，电路容易调整。另一个显著特点是只需要附加少量的元件就另一个显著特点是只需要附加少量的