基于集成运放的通用二阶滤波器的设计与实现 通信技术专业.doc

基于集成运放的通用二阶滤波器的设计与实现 摘 要 从换能器中输出的信号非常微弱（在微伏（μV）或毫伏（mV）量级），并呈现很小的能量。这些信号通常非常小，以至于不能执行任何有用的功能。如果信号的幅度比较大（福特量级），则信息处理就变得比较简单。放大器几乎用于每一个电子系统中，用来提高微弱信号的幅度。放大器由一个或多个的放大器件组成。放大器的复杂度依赖于放大器件的数量。为了能够分析由很多放大器组成的复杂电路，每一个放大器的端口行为模型则是必须的。 而这次的设计主要是以通用集成运算放大器为基础，通过查阅资料和动手实验设计并实现一个通用二阶滤波器，使电路能够实现低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等功能，在不改变电路拓扑条件下，电路还能被调节成一个正弦振荡器。文中会使用一种叫Multisim的仿真软件,使用计算机的精准性来验证分析设计电路的正确性并能给出振荡波形。 关键词：集成运放；通用滤波器；二阶；MultiSim；设计研究 Abstract The signal output from the transducer is very weak (on the order of microvolts (μV) or mV (mV)) and presents little energy. These signals are usually so small that they can not perform any useful functions. If the signal amplitude is relatively large (Ford order), the information processing becomes relatively simple. The amplifier is used in almost every electronic system to increase the magnitude of the weak signal. The amplifier consists of one or more amplifying devices. The complexity of the amplifier depends on the number of amplifiers. In order to be able to analyze the complex circuit composed of many amplifiers, each port's port behavior model is necessary. This design is based on the universal integrated operational amplifier, through access to information and hands-on design and implementation of a common second-order filter, the circuit can achieve low-pass filter, high-pass filter, band-pass filter, band filter and other functions, The circuit can be tuned to a sinusoidal oscillator without changing the circuit topology. The use of a simulation software called Multisim, the use of the accuracy of the computer to verify the correctness of the analysis of the design circuit and can give the oscillation waveform. Key words: Integrated op amp；General purpose filter；Two order;MultiSim；Design research 1 引言 放大器是在不改变输入信号波形的前提下，能使其能量增大的有源二端子电路的总称。在历史上，总以“电压”作为电子线路中的信号，叫做电压模电路。自20世纪60年代以后，以“电流”作为信号的电路迅速发展，叫做电流模电路。 集成运放最早应用于信号的运算，它可对信号完成加、减、乘、除、对数、反对数、微分、积分等基本运算，所以称为运算放大器，但是随着集成运放技术的发展，各项技术指标不断改善，价格日益低廉，而且制造出适应各种特殊要求的专用电路；目前，集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域，除运算外还可对信号进行处理、变换和测量，也可用来产生正弦信号和各非正弦信号，成为电子系统的基本功能单元，集成运放最早用于模拟电子计算机中，以实现各种数学运算[1]。集成电路的体积小，性能却很好。现在的集成运放可以代替分立晶体管，构成各种放大倍数相当稳定的放大器，也可用于滤波、稳压、稳流、振荡之中。另外，由于他的放大倍数极高，因而还可用于电压比较器等非线性信号处理电路中 运算放大器中另一个重要组成部分就是通用二阶滤波器。滤波器是一种选频电路,对于一定频率范围内的信号衰减很小，使其顺利通过；对此频率范围以外的信号衰减很大，使其不易通过[2]。滤波器应用范围很广，比如在信号处理电路中，低通滤波器常用来防止高频噪声对系统的干扰；在电源系统中，常常使用带阻滤波器来抑制50Hz或60Hz的工频噪声等。 我国对于滤波器研制和生产方面还需要进一步的加强。而今天通过我大学的学习和仔细的查阅资料对基于集成运放的通用二阶滤波器此论题产生了兴趣并将我收集的资料和实验结果写下。 2 滤波器简介 顾名思义，所谓滤波器，就是能够过滤波动信号的器具,在电子线路中，滤波器的作用是从具有不同频率成分的信号中，取出（即过滤出）具有特定频率成分的信号;滤波器一词的英文是“filter”[3]。 在电子工程中，滤波器是一个通过特定带宽的信号频率同时阻止或衰减带外的信号频率的频率选择电路。随频率变化的这种特性行为称为频率响应，并以传递函数H（jw）表示，这里w=2πf是角频率以弧度/秒(rad/s)计，而j是虚数单位（j²=-1）。滤波电路在无线电通信、自动控制和电子测量中运用十分广泛。 2.1 滤波器的分类 根据制造工艺和器材选用的不同，电子工程中的滤波器主要分为两大类：无源滤波器和有源滤波器。两者相比，有源滤波电路具有能放大信号且带负载能力强的优点，在用运算放大器组成有源滤波时，其通频带应远宽于滤波器的工作频带。由于放大器总有滞后相移，尤其是通用型运算放大器带宽较窄，在其相位不可忽略时，若要有较大的环路增益，就容易自激，因此有源滤波器得到广泛应用。 图1 有源滤波器原理图 通过一定的方式（如p-q、d-q、ip-iq）检测出谐波，然后使得APF跟随指令电流值（也即检测出来的谐波），可以采用滞环控制、SPWM控制，产生与谐波相反的补偿电流，这样就可以使网侧电流的谐波含量降到很低。 图2 无源滤波器 把（无源）滤波器看成一个二端口，那么从 A 处和 B 处向右看，会得到不同的阻抗。这两个阻抗之比决定了信号源输出的能量有多少消耗在了负载上，有多少消耗在了滤波器内部。当然这二者消耗的能量之和与信号源输出的能量相等。有源滤波器的分析会复杂一些，因为滤波器内部的电源也会输出能量。 对于信号而言，滤波器通常表现为与信号做卷积。若其频域在Ω=0时积分为1，变现为低通；若其在Ω趋近于无穷大时积分为0，变现为高通，考虑到实际器件会有高频限制，可看作带通。 根据通带和阻带所处范围的不同可分为： 图3 低通滤波器(LPF) 低通响应用一个称之为截止频率wc的频率来表征，而有丨H丨=1，w<wc和丨H丨=0，w＞wc,这表明低于wc的输入信号通过滤波器后幅度没有发生变化，而w＞wc的信号则全部被衰减掉。 图4 高通滤波器(HPF) 低通滤波器频率范围是0到fo,高通滤波器的频率范围是wo到∞,它们的频率范围正好是相反的。 图5 带通滤波器(BPF) 带通响应它的理想通带几乎不变，通带两侧都有阻带。 图6 带阻滤波器（BEF） 带阻滤波器的阶数取决于高通和低通部分的阶数。要实现带阻响应，高通滤波器的截止频率WL 必须大于低通滤波器的截止频率WH，此外，高通和低通部分的通带增益必须相等。 要想得到具有从通过到阻止或从阻止到通过突变的理想特性滤波器是不可能的。实际滤波器从阻带到通带存在一个简便的过程。且过渡带愈窄，电路的性能愈好，滤波特性愈理想。 2.2 滤波器的幅频特性 理想中的幅频响应是通带和阻带是相邻的，没有过渡带；通带到阻带之间是一条竖直直线，通带是一条平的直线，没有起伏波动[4]。阻带的衰减是无穷大的。 举例低通滤波器的实际幅频特性。 图7 低通滤波器的幅频特性 当频率为零时，带通放大倍数为： （1） 通带截止频率fp是丨Au丨≈0.707丨Aup丨的频率，过渡带表示的是从fp到丨Au丨接近零的频段，阻带则是使丨Au丨趋近于零的频段。 对于LPF、HPF、BPF和BEF,分析滤波电路就是研究其幅频特性，即求解出 Aup、fp和过渡带的斜率。 3 集成运放及其基本组合电路 3.1 集成运放的简介 3.1.1 集成运放的基本组成及功能 集成电路(IC)是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它采用特殊设计的生产工艺，把BJT、FET、二极管、电阻、小电容以及连接导线所组成的整个电路，制作（集成）在一小块硅片上，然后再做出若干个引出端（管脚），最后封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，因此又称为固体组件或芯片。由于它的元件密度高、连线短、体积小、重量轻、功耗低，外部接线及焊点大为减小，所以提高了电子设备的可靠性和使用灵活性，不但降低了成本，而且实现了元件、电路和系统紧密结合，为电子技术开辟了一个崭新的时代[5]。 集成运放是一个高增益直接耦合放大器，通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其他应用电路。任何一个集成运放都有两个输入端，一个输入端以及正、负电源端，有的还有补偿端和凋零端等。集成运放的符号如图9所示。 集成运放,它的内部电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路共4部分组成。下面围绕图8对集成运放的结构特点和性能要求作一概述。 ＋ ＋ ui uo u+ － － uo u— 图8 集成运放原理框图 图9 符号 通用型集成运放具有高电压增益，并要求有高输入阻抗和低输入阻抗。 （1）输入级 通常以静态电流很小的电压跟随器和差分放大器作为输出级。输入级的作用是提供与输出端呈同相和反向关系的两个输入端，同时要有效抑制温度漂移，并具有较大的输入电阻，因此输入级采用高性能的差分放大电路。它是抑制温度漂移的关键一级，对于整个运放性能指标优劣起着重要的作用。 （2）中间级 通常以达林顿管共e级放大器作为中间级。中间级要具有强大的电压放大能力，以提高整个电路的电压放大倍数，多采用以复合管为核心，带有源负载的共射放大电路。为了保证闭环的稳定性，在中间级以电容并联反馈用作频率响应补偿。 （3）输出级 通常以互补达林顿管符合跟随器作为输出级。输出级的作用是应具有输出电阻小，带负载能力强的特点，一般采用互补功率放大电路。 （4）偏置电路 其主要作用是为各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级电路的Q点，使集成运放尽可能少地受温度和电源电压等因素的影响。集成运放的偏置叜电路由各种电流源电路组成。 集成运放芯片上出了上述4个主要部分外，还有一些辅助电路，例如电平移动电路、过电流、过电压和过热保护电路等。 3.1.2 集成运放的传输特性 图10 加输入电压 图11 电压传输特性 同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同