模拟滤波器设计

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1、模拟滤波器设计模拟滤波器设计holyfire@smth.org2002年1月31日模拟滤波器设计是模拟电子电路设计中很重要的一个部分。本文首先综述了模拟滤波器的一些基本内容，然后着重介绍了有源滤波器的设计方法、电路结构、性能评价和器件选择。一、滤波器分类及其特点在生物医学电子测量系统中，模拟滤波器和放大器一样，占有重要的地位。模拟滤波器在预处理电路中几乎是不可少的。滤波器的功能是让指定（有用）频段的信号通过，而对其他频段的信号加以抑制、滤除或使其急剧衰减。在电子测量技术中，常用的滤波方式有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波

2、、全通滤波（移相）等。不同类型的滤波器有不同的用途。低通滤波器（LPF）主要用于信号处于低频，并且需要削弱高次谐波或抑制高频干扰和噪声的场合；高通滤波器（HPF）主要用于信号处于高频并且需要削弱直流分量和低频成分的场合；带通滤波器（BPF）主要用来突出有用频段的信号，削弱或抑制有用频段以外的噪声和干扰，常用于载波电路和弱信号提取；带阻滤波器（BEF）主要用来抑制某一窄频段的干扰，如50Hz工频干扰。滤波器电路按有源无源可分为无源和有源两种。无源滤波器主要包括LC滤波电路和RC滤波电路两种。有源滤波器是由RC网络和运算放大器组成

3、的。RC有源滤波器的使用范围是Q小于1000、频率小于1MHz的滤波。滤波器电路中常用的器件包括：RC器件、LC器件、开关电容（带有高速转换开关的电容）等。LC滤波器电路：具有较好的低通滤波特性。但当要求通带截止频率很低的时候，为了保证滤波性能，势必要求电感量很大，导致电感的重量和体积过大，既不易制作（特别是不利于集成化），成本又高，有时还要加磁屏蔽，制造和安装都很麻烦。RC滤波器电路：避免了LC电路的缺点，但是电阻在消耗噪声能量的同时也消耗信号的能量。有源滤波器电路：为了克服RC无源滤波电路消耗信号能量的缺点，使用放大电路和

4、RC网络组成了有源滤波电路，以提高滤波性能。有源滤波的优点是：1．由于不使用电感元件，体积小、重量轻，不需要磁屏蔽。2．有源滤波电路中的运算放大器可加电压串联负反馈，可以获得高输入阻抗和低输出阻抗，从而可在输入与输出之间进行很好的隔离。这样可以通过级联的形式得到高阶的滤波器器，不必象LC滤波电路那样需要考虑级间的影响。3．可在滤波的同时实现信号放大。开关电容滤波器：开关电容滤波器是一种利用开关电容网络构成的滤波器，它的出现使有源滤波器的集成化成为现实。-17-模拟滤波器设计开关电容滤波器的基本组件是由开关电容网络组成的电阻、反

5、相积分器、同相积分器。这种滤波器的通带增益和通带截止频率都与电路中的电容之比有关。随着现代集成工艺进展，pF级电容的相对精度可以做到0.1%，而且这些电容都制在同一个芯片上可以有比较好的温度补偿作用，因此通带增益和截止频率都可以做到十分精确、稳定。此外，只要改变时钟频率就能方便的改变中心/截止频率。例如用开关电容滤波器电路制成带通滤波器时，通过改变时钟频率可以使中心频率跟踪信号的频率，从而可以将滤波器的带宽做得很窄。必须指出的是，开关电容滤波器实质上是将时间上离散的模拟信号离散化，因此输出波形不是光滑的。其次时钟信号的频率必须

6、大于信号中最高频率的两倍，否则会出现混叠现象。开关电容滤波器主要用于通信系统和数字系统；例如可用于多选一开关和A/D之间，以消除混叠效应，抑制输入信号频谱中的杂散分量和串模干扰。二、滤波器的设计滤波器的设计与硬件实现是相互关联的。简单的说，用分立器件实现和用集成器件实现的设计方法、难易肯定是不相同的。分立器件（有源滤波器）的设计方法主要有手算和软件辅助两种方法，集成器件滤波器主要根据相应的DataBook（Sheet）或者软件进行设计。最近，美国Lattice公司推出了模拟电路在系统可编程器件ispPAC系列（ispPAC10

7、、ispPAC20和ispPAC80），它为电子电路设计者进行电路设计提供了一条有效的新途径。ispPAC10、ispPAC20是早期通用型的产品，ispPAC80则主要用来实现滤波器。利用ispPAC80进行滤波器设计，用户只需将原理图和设计要求通过编程电缆下载到可编程模拟器件中，就可以实现较高精度的滤波器。关于ispPAC产品的详细介绍请参阅文后的【附录一】。下面讲述几种设计方法。1.手工写算的设计方法：滤波器的设计，以前主要是用手工写算的方式来设计，这种方法需要在参考书的指导下进行。这种设计方法的步骤通常是这样的：首先，

8、根据实际需要（滤波精度等），确定滤波器所能达到的滤波特性与理想特性之间的允许的误差范围，即通带内允许的最大衰减、或阻带内所允许的最小衰减和通带阻带之间的过渡区域。其次，在确定上述误差范围之后，寻求一个合适的、可实现的有理函数（传递函数），该函数的特性应该符合所提出的要求。然后