重庆大学模电唐治德 有源滤波电路PPT课件

1、 5.1 滤波器的功能及分类滤波器的功能及分类 滤波器的功能是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信滤波器的功能是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。 通频带或通带通频带或通带 信号能够通过的频率范围信号能够通过的频率范围。阻带阻带信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围。信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围。截止频率截止频率 通通带和阻带之间的分界频率。带和阻带之间的分界频率。第1页/共38页高通滤波器（高通滤波器（HPF）低通滤波器（低通滤波器（LPF）带阻滤波器（带阻

2、滤波器（BEF）带通滤波器（带通滤波器（BPF）根据滤波器电路的工作频带 ,可分为:全通滤波器（ APF） 第2页/共38页 滤波器的用途很广泛。原则上讲， 低通滤波器（低通滤波器（LPF）主要用于信号为低频，需要削弱高次谐波或高频干扰和噪声的场合； 高通滤波器（高通滤波器（HPF）主要用于信号为高频，需要削弱低频(或直流分量)的场合； 带通滤波器（带通滤波器（BPF）主要用来突出有用频段的信号，削弱此频段以外的信号或干扰及噪声，从而提高信噪比； 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）主要用于抑制特定频率范围内的干扰。 全通滤波器（ APF）用于相位均衡，即校正相频特性或时延。 按组成元件分类，滤波

3、器可以分为无源滤波器和有源滤波器。 无源滤波器电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，如：电源滤波器。 有源滤波器由无源元件和有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成， 如：有源RC，开关电容滤波器等。end第3页/共38页5.2 滤波器的数学描述滤波器的数学描述 5.2.2 滤波器的稳态频率响应滤波器的稳态频率响应 5.2.1 滤波器的传递函数滤波器的传递函数 第4页/共38页 5.2.1 滤波器的传递函数滤波器的传递函数 滤波电路是一个包含电抗元件的二端网络，反映滤波器特性的是传递函数。 传递函数传递函数定义为电抗元件零初始值条件下输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。0101(

4、)( )( )( )( )nonVmimV sbbsb sp sA sV sq saa sa s分母多项式中分母多项式中s的最高阶次定义为滤波器电路的阶数。的最高阶次定义为滤波器电路的阶数。n和m是正整数 ,iinm a b是实数sj复频率( )0q s 根称为极点( )0p s 根称为零点零点为：-2和-4 极点为：0、3j和-5 22(2)(4)( )(9)(5)vssA ss ss例：第5页/共38页 根据电路理论，传递函数具有下述特性： 极点在s平面上的位置将决定响应的变化趋势，而零点的位置只影响响应的幅度和相位。 极点在左半平面，衰减振荡虚轴，等幅震荡右半平面，增幅振荡 干扰引起的响

5、应必须随着时间的流逝而消失为0。 一个稳定的电路系统，其传递函数的极点分布应该在右半平面不能有极点，位于虚轴的极点必须是单阶的。end22(2)(4)( )(9)(5)vssA ss ss例：第6页/共38页 5.2.2 滤波器的稳态频率响应滤波器的稳态频率响应 ( )1/1( )( )1/1oViV ssCAsV sRsCsRC2sjjf令：1()1VcAjffjf幅值响应：幅值响应： 21()20lg1 ()vcAjfff相位响应：相位响应： arctancff 12cfRC第7页/共38页 幅频响应是幅频响应是0dB的水平直线，而相频响应的水平直线，而相频响应则是则是0的水平直线。的水平

6、直线。:cff21()20lg01 ()vcAjfff0carctan0ff :cff21()20lg20lg1 ()vccfAjffff 0arctan90cff 幅频响应是一条具有幅频响应是一条具有-20dB/10倍频衰减斜倍频衰减斜率的直线，而相频响应则是率的直线，而相频响应则是-90的直线。的直线。 电路是无源低通滤波器。第8页/共38页cff当时，0arctan45cff 12cfRC截止频率 当输出端连接负载电阻RL时，截止频率修正为 12 (/)cLfRR C截止频率所以，无源滤波器简单可靠，但频率特性受负载影响。211()20lg20lg321 ()vcAjfdBff 第9页/

7、共38页 本章大量采用波特图绘制滤波器的频率特性，所以，波特图的绘制方法重述如下： （1）频率轴（横轴）采用对数坐标，增益轴（纵轴）采用分贝坐标； （2）在远离截止频率的频率范围，用渐近线表示真实频率特性； （3）在截止频率附近（左右10倍频程），作适当修正。 在定性讨论频率特性时，第3步通常省略。 end第10页/共38页特征频率：特征频率：同相比例放大倍数：同相比例放大倍数：传递函数：传递函数：2011RAR 12cfRC5.3 (有源有源)一阶滤波器一阶滤波器 021A1( )(1)=11+ooPViPicVV VRA ssVV VRsRC同相端电位为: : 11( )( )11Piis

8、CVV sV ssRCRsC2sjjf令 ：20()120lg20lg1 ()vcAjfAff（归一化幅频响应）f/fc第11页/共38页 有源低通滤波器的优点是同相放大电路的输出电阻为零有源低通滤波器的优点是同相放大电路的输出电阻为零;对负载有隔离作用，从而保对负载有隔离作用，从而保证滤波器的频率特性不会随负载变化。而无源证滤波器的频率特性不会随负载变化。而无源RC滤波器的通带增益及其截止频率都随负滤波器的通带增益及其截止频率都随负载而变化。载而变化。 思考：思考： 如何构成一阶有源高通滤波器电路？其传递函数、幅频响应和相位响应是什么？提示：对滤波元件进行对偶变换RCC R低通高通RCC R

9、高通低通end第12页/共38页5.4 二阶滤波器二阶滤波器 5.4.1 二阶低通滤波器二阶低通滤波器 5.4.2 二阶高通滤波器二阶高通滤波器 5.4.3 二阶带通滤波器二阶带通滤波器 5.4.3 二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器 第13页/共38页 5.4.1 二阶低通滤波器二阶低通滤波器 考虑到运放输入端的虚短和虚断，电路的节点电压方程为21111()()0APoiAPsC VVsCVVVsC VRRRRR201(1)oPPRVVAVR解得传递函数：解得传递函数：1cRC其中其中,令特征角频率令特征角频率2011RAR 通带增益：通带增益：2011132QRAR品质因数品质因数:电路稳定条件

10、：2120RR212211( )( )( )1 (2)()oViRV sRA sRV ssCRsCRR2022( )cVccAA sssQ设2120RR当时，极点位于右半平面，电路将发生自激振荡。 第14页/共38页,sj令得归一化幅频响应：2 220()120lg20lg1 () ()VccAjAQc：0()20lg0VAjAc：0()20lg40lgVcAjA c：0()20lg20lgVAjQAQ=1/ 2最平坦响应2022( )cVccAA sssQend第15页/共38页 5.4.2 二阶高通滤波器二阶高通滤波器 可解得传递函数：可解得传递函数：1cRC特征角频率特征角频率:2011

11、RAR 通带增益通带增益:2011132QRAR品质因数：品质因数：2022( )VccA sAsssQ考虑到运放输入端的虚短和虚断，电路的节点电压方程为111(2)()0APoiAPsC VsCVVsCVsCVsC VRRR201(1)oPPRVVAVR电路稳定条件：2120RR第16页/共38页,sj令得归一化幅频响应：c：0()20lg0VAjAc：0()20lg40lgVcAjAc：0()20lg20lgVAjQAQ=1/ 2最平坦响应2022( )VccA sA sssQend2 220()120lg20lg1 () ()VccAjAQ第17页/共38页 5.4.3 二阶带通滤波器二

12、阶带通滤波器 12ccff 电路的节点电压方程为211(2)1()0APoiAPsC VsCVVVRRRsCVsC VR21(1)oPRVVR解得传递函数：解得传递函数：00200( )1()VsAQA sssQ01RC特征角频率：特征角频率：通带增益：通带增益：210211/2/RRARR品质因数：品质因数：0212112/1/AQRRRR2120RR要求低通高通带通低通滤波电路的幅频响应乘以高通滤波电路的幅频响应。第18页/共38页00200( )1()VsAQA sssQ22000()120lg20lg1()VAjAQ,sj令得归一化幅频响应：0()2BPF2VAAj令：，求的 个截止角

13、频率。22000()22LQQ 22000()22HQQ002HLfBWQQend第19页/共38页 5.4.4 二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器 电路的节点电压方程为12(2)211(2)11()0APoiBPiABPsC VsCVVsCVRRsC VVVRRRsCVVsC VRR解得解得传递函数传递函数：21(1)oPRVVR2002001 () ( )1()VsAA sssQ特征角频率特征角频率01RC通带增益通带增益品质因数品质因数2011RAR 012(2)QA020A要求12ccff 低通高通低通滤波电路的幅频响应与高通滤波电路的幅频响应相加。 第20页/共38页2002001 ()

14、( )1()VsAA sssQ2,sjf令得归一化幅频响应：202 220001 ()()20lg20lg11 () ()VffAjfAfffQf0()22VAAjf令：，求带阻滤波器的 个止角频率。2000(2)1(2)LfAAf 2000(2)1(2)HfAAf 021002(2)ppfBWffAfQ阻带宽度：end第21页/共38页*5.5 滤波器设计滤波器设计(略略)5.5.1 频率变换频率变换5.5.3 巴特沃斯滤波器设计示例巴特沃斯滤波器设计示例5.5.2 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器第22页/共38页 5.5 滤波器设计滤波器设计 滤波器的设计流程：滤波器的设计流程：由传递函数设

15、计滤波电路称为电路综合。滤波器设计：由滤波器的特性指标，设计滤波电路。传递函数设计电路设计传递函数设计：逼近和优化方面的数学问题。有源滤波器的电路综合较简单：一阶和二阶有源滤波器的级联。低通原型滤波器：截止频率为1、通带增益为1的低通滤波器。 第23页/共38页 5.5.1 频率变换频率变换 频率变换：是指其他各种类型的滤波器与低通滤波器的频率自变量之间的变换关系。频率变换：是指其他各种类型的滤波器与低通滤波器的频率自变量之间的变换关系。第24页/共38页 示例：一阶低通滤波器的传递函数转换为一阶高通滤波器。示例：一阶低通滤波器的传递函数转换为一阶高通滤波器。 0( )( )( )1oVicL

16、V sAA ssV scLsS0( )( )( )1oViV sAA sV sScHSs0( )( )( )oVicHV sA sAsV ss频率归一化低通滤波器传递函数低通原型滤波器传递函数频率变换高通滤波器传递函数end第25页/共38页巴特沃斯滤波器的特点是幅频响应随频率单调变化，没有纹波（起伏） 传递函数逼近类型第二类切比雪夫滤波器第二类切比雪夫滤波器椭圆函数滤波器椭圆函数滤波器巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器第一类切比雪夫滤波器第一类切比雪夫滤波器 5.5.2 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器第26页/共38页n阶巴特沃斯低通原型滤波器传递函数的逼近表达式为阶巴特沃斯低通原型滤波器传递函数的

17、逼近表达式为21( )1 ( )VnA SSj2120l20lg1VNAfn阶巴特沃斯低通滤波器的高频衰减为20n dB/十倍频， 随频率单调变化。幅频响应为：令,2 fjS低通截止角频率归一化复频率ccsS第27页/共38页221( )1 ( )VnA SSj21( )1 ( )VnA SSj1121222( 1)0,1,2,2n1kjnnkpjek 极点为： 巴特沃斯低通原型滤波器的传递函数为巴特沃斯低通原型滤波器的传递函数为:1011( )()11vNkkNA SSpa SS 是左半平面的是左半平面的n个极点。个极点。kp第28页/共38页第29页/共38页end第30页/共38页 5.

18、5.3 巴特沃斯滤波器设计示例巴特沃斯滤波器设计示例 设计一个巴特沃斯低通滤波器，其技术指标为：设计一个巴特沃斯低通滤波器，其技术指标为： 1. 通带截止频率：通带截止频率： 2. 阻带截止频率：阻带截止频率：3. 通带最大衰减率通带最大衰减率 ：4. 阻带最小衰减率：阻带最小衰减率： 5pfkHz12sfkHz2dB30dB第31页/共38页1. 确定滤波器的阶数：确定滤波器的阶数： 在通带截止频率处，滤波器的幅频响应应为在通带截止频率处，滤波器的幅频响应应为-2dB 2120lg251()Ncf 在阻带截止频率处，滤波器的幅频响应应为在阻带截止频率处，滤波器的幅频响应应为-30dB2Nc120lg30121+()f 4.25N 5.28cfkHz25.28ckHz选择N=5。第32页/共38页2. 查表确定传递函数：查表确定传递函数： 选择选择N=5，低通原型的传递函数：，低通原型的传递函数：令令) 161803. 1)(161803. 0)(1(1)(22SSSSSSAVcsS低通滤波器的传递函数：低通滤波器的传递函数：) 161803. 1)(161803. 0)(1()(22220cccccVsssssAsA第33页/共38页3. 电路综合：电路综合： 5阶巴特沃斯低通滤波器电路可以通过阶巴