运算放大器应用-滤波器

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1、放大电路的频率特性由于放大电路中存在电容、电感元件及分布电容（如三极管的PN结电容）等的原因，图1的这个简单交流放大电路当信号频率过高或过低时，其电压放大倍数都将下降。我们把由于信号频率减小（增大）因而使电路增益下降到中间频率的0.707倍时的频率，称为下限（上限）截至频率，用fL和fH表示。fH与fL之差称为放大器的通频带。图1简单交流小信号放大电路电压增益Au与信号频率f之间的关系称为电路的幅频特性。信号频率的变化不仅使放大电路增益发生变化，而且引起信号的相位变化（附加相移），两者之间的关系称为电路的相频特性。幅频特性和相频特性构成了电路的

2、频率响应。借助multisim的ACAnalysis（交流分析）功能可以方便地获得电路的幅频和相频特性。对图1的电路，启动Simulate菜单命令下的ACAnalysis，在对话框中设置仿真参数：Startfrequency（起始频率）：1HZStopfrequency（终止频率）：100MSweeptype（扫描方式）：DecadeNumberofpointperdecade（每十倍频中计算的数）：10Verticalscale（纵坐标）：LinerOutput（输出）：V（4）得到图2所示的电路频率响应6/6图2简单放大电路的频率响应信号的

3、频谱代表周期信号的函数f(t)满足条件：1、绝对可积；2、在一个周期内，函数的极值数目有限；3、在一个周期内，函数连续，或只有有限个左右极限存在的间断点。可以展开成傅里叶（Fourier）级数。电子技术中的周期信号一般都满足上述条件，而非周期信号可以视为周期无限长的周期信号。这意味着，一个非正弦（余弦）信号可以看成是由不同幅值和频率的正弦（余弦）信号的合成。例如，方波在区间（0，1）内可表示为上式中，第1项称为信号的基波分量，其（角）频率称为基波频率；第2项称为3次谐波分量，其频率称为3次谐波频率；第3项是5次谐波，其频率是5次谐波频率……谐波

4、次数越高，其振幅就越小，当振幅降为最大值的1/10时，更高次的谐波可以忽略不计，振幅最大值时的频率到最大值的1/10的频率之间的频带定义为信号的频带宽度。信号的频谱图表示一个信号中包含有哪些频率分量及各分量所占的比重。图3是频率100HZ电压5V的方波，用multisim的FourierAnalysis功能得到的频谱图6/6图3频谱图集成运放有源滤波器滤波器是依据频率处理信号的电路，有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。根据幅度响应，滤波器可分为：低通、高通、带通和带阻滤波器。低通响应用一个称为截至频率ωC的频率来表征，当输入信号频率

5、ω低于ωC时幅度没有变化，而ω高于ωC的输入信号则全部被衰减掉。低通滤波器常用于消除一个信号中的高频噪声。高通响应与低通响应正好相反，高于截止频率ωC的信号不被衰减，而低于ωC的信号完全被阻隔。带通响应用一个称之为通带的频率带宽表征，位于这个频带内的信号不被衰减，而在或的信号则被截止住。带阻响应与带通响应相反，它阻断的频率分量位于阻带之内，而通过其余全部分量。纯粹由电阻器、电容器、电感器构成的滤波器称为无源（RLC）滤波器。在这些基本电子元件中，电感体积笨重而昂贵。在高频的情况下，电容、电感值随工作频率范围上升而下降，电感的尺寸和重量大幅减小。

6、由集成运放构成的有源滤波器可以不使用电感而实现任何响应，这是一个很大的优点。但集成运放工作频率不高，由集成运放构成的有源滤波器应用范围局限在兆赫以下范围，所以高频滤波器还是用无源RLC原件实现的。6/6图4一阶低通有源滤波器输入信号被R、C分压，由于电容C的容抗随频率的增大而减小，因此运放同相输入端的净输入信号随信号频率的增大而减小，从而实现低通响应。图5二阶低通有源滤波器增加一级R-C滤波网络，使滤波器幅频特性更接近理想幅频特性。图6改进的二阶低通有源滤波电路C1接地改为接输出端，构成可控的正反馈回路，改进低通响应。图7二阶高通有源滤波器6/

7、6互换R-C滤波网络中的原件（R-C改成C-R）就变成一个高通有源滤波器。图8带通滤波器图8的电路由一个R-C低通环节和一个C-R高通环节串联构成RC带通单元的有源带通滤波器，R3构成正反馈。此电路的中心频率1kHz,带宽100Hz。图9带阻滤波器图9的电路是由一个双T网络和一个经由电容C2提供正反馈电路构成。双T网络为输入信号到达运放输入端提供了两条正向通路：低频信号通路R-R和高频信号通路C-C；但在中频段，这两条通路会产生相反的相位角，因此，在运放的输入端这两个正向信号有互相抵消的趋势。因此电路将是一个带阻型响应。这个电路的中心频率约60

8、Hz，阻带宽度约5Hz。滤波器是重要的信号处理电路，在电力电气工程中也有广泛的应用。滤波器的基础理论、设计方法、典型电路、技术应用等已发展为庞大的理论