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对输入信号中某特定频率或频带成分具有选择性的网络称之为滤波器。滤波器可广泛应用于通信、自动控制、计算和测量技术等领域。有关滤波器的理论和设计日趋完善。随着新型元器件的使用和设计思想的更新,滤波器的发展也日新月异。迄今为止,按元器件分类,滤波器可以分为无源LC滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、RC有源滤波器和开关电容滤波器等。这些滤波器有各自的优点和应用范围,可使用于不同波段和Q值范围。由电阻、电容和有源器件 运算放大器构成的滤波
器称之为RC有源滤波器。这是随着高增益运算放大器问世而迅速发展起来的一种滤波器,由于其集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,而输出阻抗又低,因而构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用,所以应用相当广泛。测量仪器中的滤波器几乎全部采用RC有源滤波器。随着微电子学的发展,又出现了把一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上的通用有源滤波器(UniversalActiveFilter,UAF)。这种芯片集成度高,片内集成了设计滤波器所需的电阻和电容,在应用中只要极少数外部器件就可以很方便地构成一个有源滤波器。BB(Burr-Brown)公司的UAF42就是这一类通用有源滤波器的代表。它可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。UAF42采用典型的状态可调(state—variable)模拟结构,内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积分器包括1000mF(为5%)的电容,因此较好地解决了有源滤波器设计中的低损耗(low—loss)电容问题。
通用有源滤波器UAF42
UAF42的内部结构框图如图1所示。
奇通 带通怅通
OutpoOu!OaQutoG
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图1通用源滤波齬UAF42的内鄢结构
从图中可以看出,UAF42的状态可调(State—variable)结构使得它的应用十分方便。它有三个输出引脚,这些引脚的输出是把输入信号经过低通、带通和高通滤波后的信号。此外,UAF42片内还集成了一个辅助运放,该运放可作为通用的运放,也可以将UAF42的低通、高通和带通等输出信号进行信号处理。N阶滤波器传递函数的一般式为:
L⑸=+bni-ISm_l+bEs+h))/(鸽皆+孤十…蓟s+刊)]
式中的m应小于或等于n。需要说明的是:直接实现三阶以上传递函数的电路设计是很困难的。通常需要将高阶传递函数分解为若干个低阶(一阶、二阶、最多三阶)传递函数的乘积形式,如:
Gli(S)=[I5](s)ii(s)-Ei(s)]/[A|(s)A2(s)--
Ak(s)]=G1(s)C^(s)+i<i<(s)
将K个可实现的低阶传递函数的电路基本节(或称之为基本积木块)级联起来就构成了N阶滤波器。由于采用的是运放构成的低阶基本电路,因而其输出阻抗很低,可以不考虑级联时的负载效应,这样就保证了各基本节传递函数设计的独立性。具体过程如图2所示。
歩本节电路1 基本节电路忙
Outw
图2用基本节电路级联真现高阶电賂
在实际工程中,设计人员可根据对滤波器的通带、阻带或过渡带的频率范围及通带增益和衰减特性要求,设计出某种类型的n阶传递函数。然后将n阶传递函数分解为若干个低阶级联形式,即将其划分成若干个一阶、二阶传递函数基本节。最后再按各个低阶传递函数的设计要求来设计和计算有源滤波器电路基本节。这一过程包括设计和计算相应的元件参数值、根据设计和计算结果选择相应的元件参数值和运算放大器、组成各个低阶滤波器的电路,并将它们级联起来进行相应的调整和性能测试等工作。在上述的有源滤波器设计过程中,可以看出当滤波器电路划分为几个基本节电路级联后,基本节电路的设计就成为有源滤波器设计的关键。其基本节电路一般为一阶或二阶电路,一阶电路较为简单,对二阶电路来说,可由R、C和运放所构成的电路来实现,采用UAF42则更方便。因为如果设计人员自己用运放和R、C构成的二阶电路,则电路中各个元件参数的计算这一过程比较烦琐,而采用UAF42则可以利用厂家提供的一些技术支持来减轻设计人员的工作量,一般来说这些支持包括DE-MO板和一些软件等。对UAF42来说,由BB公司提供的一个CAD软件——FILTER42来进行,该软件简化了基于UFA42的设计。设计人员只要根据基本节电路的要求将参数输入到FILTER42中,该软件就可以计算出相应的元件值,并且可以仿真滤波器的输出效果。
滤波器设计软件FILTER42
利用计算机将FILTER42软件打开并进入界面后,就可以使用(<=<enter>ForMoreOption)光标和ENTER键来进行一系列设计操作了。
(DesiredResponse)
FILTER42软件界面上的DesiredResponse选项可用来确定UAF42构成的滤波器的种类。使用图中的光标指向DesiredResponse选项,按EN—TER(回车键)后即可提供四个选项:低通、高通、带通和带阻。设计人员可根据设计要求的不同选中不同类型的滤波器。
(FilterType)
滤波器类型(FilterType)选项可使设计人员选择采用何种滤波器来实现低通、高通、带通和带阻等滤波器功能°FILTER42软件提供了四种滤波器类型,它们分别是ButterworthC巴特沃斯滤波器)、Chebyshev(切比雪夫滤波器)、Bessel(贝塞尔滤波器)和InvChebyshev(反切比雪夫滤波器)。
模拟滤波器的设计可帮助设计人员寻找一个合适的有理函数来满足对滤波器幅频特性提出的要求。在幅度近似这一方面可以分为两种类型:第一种类型是最平幅度近似模式。这种类型是在近似范围内,它的幅频特性将随频率呈现单调变化的一种频响特性。这一类型滤波器的典型代表是巴特沃斯滤波器;第二种类型为等波纹近似模式,这种类型是在近似范围内,其幅频特性呈现等幅波动的一种频响特性。这一类型滤波器的典型代表是切比雪夫滤波器。由于这种类型滤波器的近似方法采用的是切比雪夫多项式,因而又称之为切比雪夫近似。
(Parameters)
假设前两步确定了有源滤波器设计为采用巴特沃斯的低通滤波器,则下一步便是确定低通滤波器的一些参数值。要设置的参数包括滤波器的阶数和一3dB时的频率。如果选定滤波器的阶数为2,则一3dB时的频率为1000Hz。需要说明的是:由于笔者设计的是低通滤波器,所以在FILTER42软件界面中显示的是“LowpassParameters"。如果设计选择高通滤波器,则滤波器参数的设置项会自动地改为“HighpassParameters”。
(Filterresponse)
在这个选项中,设计人员可以进一步在界面上设定滤波器的输出特性。在该“Filterresponse"选项中:Freq是频率选项,可以由设计人员设置,Gain和Phase分别表示增益和相位。TotUAFs表示实现滤波器所用的UAF的个数。电路中的电阻为±1%标准电阻。Topology包括三个选项:Inverting、Noninverting和Auto。Inverting表示信号的输入是从UAF42的反向输入端输入,Noninverting表示输入信号从非反向输入端输入,设置成Auto后,程序将自动采用Inverting和Noninverting中使用外部元件较少的一种方案。
(ComponentValue)
经过上面对滤波器的各个特性的设定步骤的详细描述之后,下面,我们就可以使用F3键来查看各个元件的具体设定值。
由于电路中的各个参数都有说明。因此,可以根据FILTER42输出的结果来确定电路中各个元件的具体参数值。
确定了电路的各个参数值后,还必须检验电路是否符合设计要求,因而FILTER42提供一个电路仿真功能,按下F2键,就可以输出在这些电路参数下滤波器的幅频特性。
结束语
BB公司的通用有源滤波器UAF42本身具有集成度高、可靠性高和设计灵活的特点。利用生产厂家提供的计算机辅助设计软件还可以提高UAF42有源滤波器的设计效率,因而必将使UAF42得到更广泛的应用。