有源低通濾波器技術(shù)指導(dǎo)_有源低通濾波器電路設(shè)計_有源低通濾波器的運放

　　低通濾波（Low-pass filter）是一種過濾方式，規(guī)則為低頻信號能正常通過，而超過設(shè)定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。但是阻隔、減弱的幅度則會依據(jù)不同的頻率以及不同的濾波程序（目的）而改變。它有的時候也被叫做高頻去除過濾（high-cut filter）或者最高去除過濾（treble-cut filter）。低通過濾是高通過濾的對立。

　　一、有源低通濾波器技術(shù)指導(dǎo)_有源低通濾波器電路設(shè)計----有源低通濾波器

　　對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器，或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers）、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（moving average）所起的作用；低通濾波器有很多種。其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。

　　二、有源低通濾波器技術(shù)指導(dǎo)_有源低通濾波器電路設(shè)計----有源低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)

　　濾波效果由二級無源RC網(wǎng)絡(luò)決定，運放提供增益以及提高帶負(fù)載能力。

　　優(yōu)點：負(fù)載不直接與RC網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，而通過高輸入電阻，低輸出電阻的運放連接，其RC網(wǎng)絡(luò)的濾波性能不受負(fù)載的影響。電路除有濾波功能外，還有放大作用。

　　由上式畫出折線化幅頻特性如圖所示：

　　從波特圖可知：二階低通有源濾波器（LPF）在時，特性近似以-40dB/十倍頻程斜率下降，比一階下降快了。但還不夠，還應(yīng)進(jìn)一步向理想逼近。

　　2. 二階壓控電壓源LPF

　　它與普通二階低通有源濾波器不同的地方是C1電容不接地，而是連接到電路的輸出端了。這樣連的思路是：在f0附近形成一定的正反饋，使該點頻率附近的特性起峰來改善濾波效果。

（點擊圖片可放大查看）

　　由此畫出的幅頻特性為：

　　從波特圖可知，它的濾波特性比普通的要好一些。

　　三、有源低通濾波器技術(shù)指導(dǎo)_有源低通濾波器電路設(shè)計----Multisim 8仿真軟件和歸一化方法設(shè)計有源低通濾波器電路

　　有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻率的信號有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號。

　　3.1 Multisim 8 仿真軟件特點簡介

　　Multisim 8 是早期的 Electronic Worbench（EWB）的升級換代的產(chǎn)品。早期的 EWB與 Multisim 8 在功能上不能同日而語。Multisim 8 提供了功能更強大的電子仿真設(shè)計界面，能進(jìn)行射頻、PSPICE、VHEDL、MCU 等方面的仿真。Multisim 8 提供了更為方便的電路圖和文件管理功能。更重要的是，Multisim 8 使電路原理圖的仿真與完成PCB 設(shè)計的Ultiboard10 仿真軟件結(jié)合起來一起構(gòu)成新一代的 EWB 軟件，使電子線路的仿真與 PCB 的制作更為高效。通過將Multisim 8 電路仿真軟件和LabVIEW 測量軟件相集成，需要設(shè)計制作自定義PCB 的工程師能夠非常方便地比較仿真數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)，規(guī)避設(shè)計上的反復(fù)，減少原型錯誤并縮短產(chǎn)品上市的時間。熟練掌握Multisim 8 電路仿真軟件已成為當(dāng)今電子電路分析和設(shè)計人員所必需具備的基本技能之一。

　　3.2 有源低通濾波電路基本原理

　　3.3 有源低通濾波電路基本概念

　　濾波電路的作用就是允許某段頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號。有源濾波電路由電阻、電容和集成運算放大器組成，又稱為有源濾波器。有源濾波器能 夠在濾波的同時還能對信號起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據(jù)濾波電路通過或者 阻止信號頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通河帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設(shè)計與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過低頻信號，抑制或衰減高頻信號。

　　3.4 有源低通濾波電路的組成和實驗原理

　　二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個RC 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成，電路如圖所示。

　　電路性能參數(shù)

　　其通帶電壓放大倍數(shù)即為同相比例放大電路的放大倍數(shù)：

　　其傳遞函數(shù)：

　　其中： Wo=1/RC 截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。

　　品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。

　　不同Q值的有源低通濾波電路的幅頻特性曲線通過分析可知：當(dāng)信號頻率大于截止頻率時信號的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達(dá)到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號可以得到一定提升。如果Q =0.707 時，濾波器的幅頻特性最為平坦；如果Q 》0.707 時，幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計電路圖參數(shù)。

　　有源低通濾波器技術(shù)指導(dǎo)_有源低通濾波器電路設(shè)計----有源低通濾波器的運放

　　運算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結(jié)構(gòu)不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅(qū)動負(fù)載的能力）。

　　運算放大器的性能指標(biāo)包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好。）

　　實際是有要求的。首先運放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對電路中的實際電阻產(chǎn)生過大的影響 。其次運放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設(shè)計有源二階低通濾波器時，不考慮。但在仿真時，不同的運放對濾波器的指標(biāo)還是有影響的。

　　本次設(shè)計所用的運放芯片為NE5532，其指標(biāo)如下：放大器數(shù)目：2 ，運放類型：低噪聲 ，-3dB帶寬增益乘積：10MHz ，變化斜率：9V/μs ，電源電壓 最?。?V ，電源電壓 最大：22V ，表面安裝器件：表面安裝 ，封裝類型：SOIC 。實驗時所用的電源電壓為12V。針腳數(shù)：8 ，工作溫度范圍：0°C to +70°C ，器件標(biāo)號：5532 ，增益帶寬：10MHz ，工作溫度最低：0°C ，工作溫度最高：70°C ，放大器類型：Op Amp ，輸入偏移電壓 最大：4mV ，運放特點：Low Noise