电工理论论文报告-萨伦和凯低通滤波器设计

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1、研究生课程（论文类）试卷2015/2016学年第一学期课程名称：现代电工理论课程代码：32000006论文题目：萨伦和凯低通滤波器设计学生姓名：专业﹑学号：学院：光电信息与计算机工程课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字：日期：年月日课程（论文）题目：萨伦和凯低通滤波器设计内容：萨伦和凯(Sallen&Key)低通滤波器设计一、n阶滤波器传递函数根据线性系统理论，n阶滤波器的传递函数的一般形式为(1)（1）式中，m≤n；一个复杂的传递函数可以分解成几个简单的传递函数的乘积。上式中，若n

2、为偶数，可分解为n/2个二阶滤波器的级联；而若n为奇数，则可分解成一个一阶滤波器和(n-1)/2个二阶滤波器的级联。一阶、二阶滤波器是构成高阶滤波器的基本单元，二阶滤波器单元传递函数可以写为：，其中分子系数、、决定了传递函数的零点位置，即决定滤波器类型(低通、高通、带通、带阻)，分母系数、决定滤波器的特性。二、萨伦凯（Sallen-Key）电路若应用图1中的正反馈基本电路，反馈网络是带通函数，传输函数零点在和处。对于低通二阶滤波器，、的两个传输零点均在处。所以、都可以用一臂一个元件的无源梯形网络实现。图1图

3、2a、b是可供选择的反馈带通网络。由图2a、b采用网络分析或拓扑发分别可得：图2(2)(3)代入得整个电路的传输函数(4)(5)(6)电路如图3所示，称它为萨伦-凯电路。设计综合时，根据技术要求先找出逼近函数，也即、、等是给定的，不过根据给定的要求确定以及比值仍有许多选择。这些选择可根据灵敏度大小、制造的方便性、运放实际放大倍数非无穷的影响等因素加以考虑。以下举四个方案粗略地加以比较。图3方案一：等参数方案，即令，由式（5）、式（6）得(7)即(8)若令，则(9)(10)所以这个方案增益常数也跟着确定了，如

4、与给定的不符，可设法调整。方案二：选令，由式（10-17）、（10-18）得(11)(12)解得(13)是极大值，当时，。因此这个方案当函数值较高，例如时，，尽管灵敏度较低，但从制造角度来看并不吸引人。方案三：折中地将取为，称为萨拉嘎（saraga）方案。令，解得(14)(15)(16)方案四：取代入（10-17）、（10-18）得(17)(18)(19)此方案当高时，比值也太大。由式（5）得由式（6）得(20)同理得(22)(23)(24)(25)其中(26)(27)(21)(28)将上述方案参数各代入（

5、19）~式（26）计算，列表如下表所示。从表彰数据看，似乎是第二个方案的灵敏度低，但方案二当值较高时，元件分布性过大，实际综合性能还是方案三最好。这里只作粗略比较，严格分析应考虑到放大倍数的有限性的影响，还应从统计观点计算灵敏度和元件偏差率，函数值等也都有关。表一各种方案灵敏度的比较方案从上述对萨伦-凯电路的讨论中还可获得有源RC电路的一些十分有用的结论：（1）RC有源电路中，电阻和电容总是以乘积或电阻比的形式出现。如果同时将所有电阻增大倍，电容缩小倍，对传输函数没有影响。所以上述讨论实现方案时可以任意令（

6、或）最终任可以变为实用的值；（2）用替代中的后，相当于频率增大倍。例如二阶低通函数(29)这样替代后(30)由变为。即增大倍。实际上如果将所有电容（或电阻）减少倍，就相当于将替代。所以去归一化时，只需将所有电容减少适当倍数就可以了。（1）增益常数的调整。当综合获得的大于给定的值时，只需采用分压的办法。如下图所示，当大于给定值倍时，可使(31)当比要求的小时，需要增强增益，可以采用下图所示的电路。其中，(32)就是需要增强的倍数图4图5另一种电路结构表示如下：R3R2C1C4UiUoI2I1I3R4R1Ua节

7、点a图6压控压源双二次型典型电路由理想运算放大器性质可知，“虚短”时U+=U-，“虚断”时I+=I-=0。在图（6）中我们可看到，令即为放大器零输入的电压增益。设R2、R3、C1、C4的导纳分别为Y1、Y2、Y3、Y4，在节点a处列KCL方程(33)将带入式（32）方程可得(34)式（33）中，当、、、（不同器件的导纳）取不同的值时就代表不同的滤波器。低通滤波器的传递函数为(35)其中为低通滤波器的截止频率，Q为品质因数。、为电阻元件，、为电容元件，。三、电路设计及仿真单级萨伦凯：带通从0到1000Hz，带

8、通纹波系数1，放大倍数2倍，品质因数0.707（1）如果要设计的低通滤波器的转移函数形式为(36)(37)巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式为，对比传递函数分母可得。(2)低通滤波器的截至角频率(38)(39)(3)根据给定的Q，求出K：(40)(41)取K=2(4)按照书上课本方案四设计取将其代入式(5)(6)可求得，。（5）根据求出的K值，确定Ra和Rb；所以，又知可求得四、Pspice软件仿真分析搭建仿