傳統(tǒng)的帶通有源濾波器設(shè)計(jì)方法中涉及了很多復(fù)雜的理論分析和計(jì)算。針對(duì)上述缺點(diǎn)，介紹一種使用 EDA 軟件進(jìn)行帶通有源濾波器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了使用 FilterPro 軟件進(jìn)行帶通有源濾波器電路的設(shè)計(jì)步驟，然后給出了在 Proteus 中對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真分析和測(cè)試的方法。測(cè)試結(jié)果表明，使用該方法設(shè)計(jì)的帶通有源濾波器具有性能穩(wěn)定。設(shè)計(jì)難度小等優(yōu)點(diǎn)，也為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。
帶通有源濾波器是一種僅允許特定頻率通過，同時(shí)對(duì)其余頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制的電路。由于它對(duì)信號(hào)具有選擇性，故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中。但是，帶通有源濾波器的種類繁多，各個(gè)類型的設(shè)計(jì)差異也很大，這就導(dǎo)致了在傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)方法中不可避免地要進(jìn)行大量的理論計(jì)算與分析，不但損失了寶貴的時(shí)間， 同時(shí)也提升了電路的設(shè)計(jì)門檻。為了解決上述弊端，本文介紹了一種使用FilterPro 和 Proteus 相結(jié)合的有源帶通有源濾波器的設(shè)計(jì)方案，隨著EDA 技術(shù)的不斷發(fā)展，這種方法的優(yōu)勢(shì)也將越來越明顯。
圖1 使用理想運(yùn)放的帶通有源濾波器
電路原理圖如圖1所示。然后可在 Proteus 中搭建電路進(jìn)行仿真分析， 前面已經(jīng)提到， FilterPro 生成的濾波器中的運(yùn)放使用的理想運(yùn)放模型，所以仿真時(shí)需要先用理想運(yùn)放進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行替換。
圖2 實(shí)際搭建的有源濾波器電路
設(shè)計(jì)中運(yùn)放選擇TI產(chǎn)品典型的通用雙放LM358，LM358里面包括兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，特點(diǎn)方面具有低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，它的共模輸入電壓范圍較寬，差模輸入電壓范圍等于電源電壓范圍，單電源供電電壓3-32V，雙電源供電±1.5-±16V，單位增益帶寬為1MHz，適用于一般的帶通有源濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有低功耗的功能，對(duì)于設(shè)計(jì)階數(shù)相對(duì)高一些的帶通有源濾波器的話，可以選用TI的四運(yùn)放LM324，其性能與LM358大體相同，應(yīng)用起來節(jié)省空間。對(duì)于運(yùn)放的要求此設(shè)計(jì)不是特別高，只要運(yùn)放的頻率滿足低通的截止頻率即可，如果精確度要求高的話那么首先運(yùn)放的供電電壓要足夠穩(wěn)定，或者選擇精密運(yùn)放，如TLC274A，否則通用的即可，例如推薦 TI的LM224四運(yùn)放。
巴特沃斯帶通有源濾波器幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是從通帶到阻帶衰減較慢，如果對(duì)于過渡帶要求稍高，可以增加階數(shù)來實(shí)現(xiàn)，否則改選用切比雪夫?yàn)V波電路。
下面討論設(shè)計(jì)兩種帶通有源濾波器，其一為二階低通濾波器和二階高通濾波器組成的四階帶通有源濾波器，如下圖：
圖3 四階帶通有源濾波器
參數(shù)選擇與計(jì)算：
對(duì)于低通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取1000pF，對(duì)于高通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取0.1uF，然后根據(jù)公式 R=1/2∏fc計(jì)算得出與電容相組合的電阻值，即得到此圖中R2、R6和R7，為了消除運(yùn)放的失調(diào)電流造成的誤差，盡量是運(yùn)放同相輸入端與反向輸入端對(duì)地的直流電阻基本相等，同時(shí)巴特沃斯濾波器階數(shù)與增益有一定的關(guān)系（見表1），根據(jù)這兩個(gè)條件可以列出兩個(gè)等式：30=R4*R5/（R4+R5），R5=R4（A- 1），36=R8*R9/（R8+R9），R8=R9（A-1）由此可以解出R4、R5、R8、R9，原則是根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況稍調(diào)整電阻值保持在一定限度內(nèi)即可，不要相差太大，注意頻率不要超過運(yùn)放的標(biāo)定頻率。
表1 巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)與增益的關(guān)系
其二是二階有源帶通有源濾波器，只用一個(gè)放大區(qū)間，如下圖：
圖4二階帶通有源濾波器
注：
本文介紹的這種帶通有源濾波器的設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的通用性。實(shí)踐表明，該方法不但可以避免一些復(fù)雜的理論計(jì)算和分析，同時(shí)通過仿真還可以直觀的檢驗(yàn)電路的輸入和輸出，進(jìn)而使得濾波器的性能更加的穩(wěn)定。
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