一种低频有源带通滤波器的设计.doc

1、一种低频有源带通滤波器的设计摘要：本文介绍了一种低功耗低频有源带通滤波器的设计方法。将低通滤波器和高通滤波器相结合，设计一款频带宽度在 100Hz-2000Hz 左右的带通滤波器。利用计算机软件Multism12.0 进行理论设计仿真，通过参数扫描得到了一个合理的设计方案。仿真与实测结果表明：输入噪声控制在 1 ,频带范围内增益大约在 13.5db,摆动幅度在 2db 左右，输出等电位时输出的直流电压漂移小于 4 ，功耗大约为 0.8W。关键字：低功耗 有源滤波器 带通滤波器 Multism12.0 1 引言滤波器是一种具有将特定频率选择通过或者抑制的电路，它能使我们需要的频率信号通过，于此同

2、时抑制(或衰减)无用的传送频率信号。实际工程中常用来进行数据的传输、信号的处理和抑制干扰等。目前在声呐、测控、通信、仪器仪表、航空船舶、医疗中等到了广泛的应用 1。随着科技的不断进步，出现了各种各样的滤波器，有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。对于各种滤波器的频率特点而言，可将滤波器分为考尔(Cauar)型、切比雪夫(Chebyshev)型、巴特沃斯(Butterworth)型及贝塞尔(Bessel)型2。其中带通滤波器的应用最为广泛，而且人们对产品性能和便携式提出了更高的要求。带通滤波器作为被广泛应用的一种滤波器，对于其性能提出了更高的要求，迫切要求采用低电压模拟电

3、路来降低功耗，低电压、低功耗的模拟电路设计技术日益成为人们研究的热点问题。从能源角度来考虑，低功耗不仅是电池驱动便携式设备的迫切需要，而且也是大型设备的需求 3。传统的设计方法功耗比较大，而且噪声干扰明显，通带内抖动幅度大，滤波效果不理想，功耗较大，本次设计我们探究一种高性能，低功耗的有源带通滤波器的设计，意旨在为工程设计方案作出参考。2 滤波器的定型与设计2.1 滤波器的定型基于我们研究对象本次设计选用 OPA4227PA 运算放大器，OPA4227PA 运放具有超低谐波失真、低噪声、高增益带宽等特点。低噪声能达到 ，带宽逼近 ，共模抑制比为 ，工作电压范围为 低功耗。2.2 整体设计方案图

4、 1 整体设计由图 1 整体设计可知，输入信号经过滤波器将无用的信号滤出，通过低通滤波器和高通滤波器形成带通滤波器，将需要的信号提取出来，然后经两级反向放大器正向输出。在设计过程中需要考虑约尔逊噪声、频带宽度、截止频率、电源滤波等参数的影响，分别对基本概念介绍如下：2.2.1 约尔逊噪声约尔逊噪声由带电电子或电荷的载流子在导体中不规则的运动，它对温度有很强的依赖性。电阻 R 发生的噪声有效值由奈奎斯特公式表示：(1)4-2式中 K 为玻尔兹曼常数( )，T 为绝对温度(K)，R 为电阻值()，B 为测量带宽(Hz)。从频率 到 之间的噪声电压为:(1)2.2.2 截止频率当电路中输入信号的幅度

5、保持不变的情况下，改变输入频率使输出信号幅值降至最大值的 0.707 倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率 6。以此说明电路频率特性指标。在放大电路,高频端和低频各自有一截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。两个截止频率之间的频率范围称为通频带。RC 滤波器截止频率的计算公式:(2)式中 ，为回路的时间常数，低/高通电路的幅值及相角公式：(3) (4)式(3)为低通的幅值相角公式，式(4)为高通的幅值相角公式，式中 为输入频率， 为低频截止频率， 为高频截止频率，n 阶滤波器的传递函数 5：式中分母系数 参数决定了不同形式的滤波特性。2.3 低/高通滤波器的设计本设计中我们在 OP 放

6、大器前端选用三阶有源滤波器，因为考虑到功率消耗的影响，后端选择三阶无源滤波器，一阶或者二阶滤波器不能将所需要的信号完整的提取出来，因此考虑三阶滤波器，在工程实际应用中，滤波器的设计最多达到三级，超过三级将会产生许多实际问题，例如毛刺现象、自激、电磁干扰等现象，而且也将会增加设计的难度，需要综合考虑许多外界因素的影响。图 2 低通滤波器图 3 高通滤波器3 实验结果与数据分析3.1 实验所用仪器本实验所有频率计 AFG-2125，示波器 GDS-3504，电压源 GPD-3303S，毫伏表 RS-F520，万用表 VC9806，实验面包板。运用 Multism12.0 进行仿真，仿真的结果如图图

7、 4 低频波特图从仿真结果可以看出在幅值下降到最大值的 0.707 时，低频的截止频率能够到达 3KHz左右，完全能够到达我们的设计要求，而且在低通滤波器中，通过性比较好，没有出现毛刺或者大浮动摆动的情况，增益为-16dB 左右，完全符合我们的要求。图 5 高频波特图高频波特图的仿真结果可知频带的选择性较好，频带范围 75Hz299KHz，完全能够达到要求的 100Hz2000Hz。通过性良好。而且频带内的衰减小于 2dB。图 6 带通波特图带通波特图为最终的仿真结果，从图中可以看出通带的频率选择范围 88Hz2.4KHz 左右，而且通频带内幅度摆动在 2dB 之内，能够达到设计的要求。搭建试

8、验电路进行实际测量，实际测量数据如图表 1 所示：表 1 测试数据频率(Hz)信号强度有效值（mV）输出（mV） 放大倍数增益(dB)50 100 4.6 0.046 -26.7478 100 35.4 0.354 -9.02100 100 84.92 0.8492 -1.42156 100 96.4 0.964 -0.32200 100 97.45 0.9745 -0.22250 100 100.94 1.0094 0.08313 100 104.4 1.044 0.37400 100 107.25 1.0725 0.61438 100 107.85 1.0785 0.66558 100 1

9、08.14 1.0814 0.68625 100 107.7 1.077 0.64875 100 105.67 1.0567 0.481000 100 105.44 1.0544 0.461250 100 108.01 1.0801 0.671750 100 117.1 1.171 1.372000 100 95.69 0.9569 -0.382234 100 64.11 0.6411 -3.862812 100 21.7 0.217 -13.273200 100 11.25 0.1125 -18.98对表 1 的试验数据进行分析得到的实际测试带通波形如图 7 所示：图 7 实测波特图由图 7

10、 可知，试验电路的测试结果表明频带的选择范围为 50Hz2100Hz，频带内的衰减在 2dB 左右，对整个电路进行功耗测量计算得到的功耗大约为 0.8W，直流电压漂移小于4mA。4 结论本文设计的仿真电路与实际测试电路结果表明误差精度满足要求，而且滤波器的通带能达到设计要求，功耗低，频带的选择性良好，具有较好的稳定性的特征，验证了设计的可行性，所以非常适合在低频信号技术的处理技术中应用。参考文献：1 张亚，黄克平.有源模拟带通滤波器的设计J .电子科技，2009(22) .2 美 D. E. 约翰森.滤波器理论导论M.颜绍书，李远文译.北京.人民邮电出版社，1981.3 谢强.CMOS 低功耗运算放大器的设计与研究：湖南大学硕士论文.2006.4 冈村迪夫.OP 放大电路设计M.科学出版社 2004.5 姚福安，徐衍亮.高性能多阶有源带通滤波器设计J.电子测量与仪器学报.2005.6 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.高等教育出版社.2006