基于运放的四阶音频滤波器设计

参考查表法或辅助软件法，利用集成运放设计四阶音频滤波器，实现音频信号的消噪。假设输入信号幅度在0.1Vpp以内，要求通带增益为0dB，3dB截至频率分别为20Hz~20kHz，通道增益要求平坦，电路负载为10kΩ。根据上述要求设计出该电路，并对该电路的幅频特性进行仿真。

实验具体要求如下：

（1）设计电路，说明设计原理，电阻、电容选择为系列值，要求截至频率误差在10%以内。

（2）确定电路中运放的型号，简单说明运放选型的原则。

（3）利用Multisim电路仿真软件绘制原理图。

（4）对所设计电路进行幅频特性仿真。给出通道增益、截至频率、过渡带衰减的仿真值。

实验结果

（1）在下方列出所设计电路的原理图

图1 所设计电路的原理图

（2）结合所设计的电路图说明该电路的设计思路和过程，通过计算得到该电路的理论截至频率值，计算误差。（写出满足题目各指标要求的设计依据）

设计思路:

依据题目要求,所要实现的功能为20Hz-20kHz的带通滤波，由于带宽较宽且要求通带平坦，四阶带通滤波器并不适用，所以选择四阶高通滤波器与四阶低通滤波器级联实现四阶带通滤波的功能。

设计过程：

高通部分：因为通带增益为0，所以通带增益Ap=1，所以Rf取开路，RF取0,因为截止频率为20Hz，根据截止频率与C的非线性关系，取C为0.75μF，

截止频率与C的关系

C1=C2=C=0.75μF

K0=100/fc*C=20/3

R1=1.125*K0=7.5kΩ

R2=2.251*K0=15kΩ

二阶高通VCVS电路元件值

此时wo=1/C*=0.12567

f 0=w0/2π=20.01Hz

相对误差Y=（20.01-20）/20=0.05%

α =2=,此时fc=f0=20Hz

低通部分：因为通带增益为0，所以通带增益Ap=1，所以Rf取开路，RF取0,因为截止频率为20kHz，根据截止频率与C的非线性关系，取C为750pF，

K0=100/fc*C=20/3

R1=1.422*K0=9.5kΩ

R2=5.399*K0=36kΩ

C1=0.33*C=250pF

二阶低通VCVS电路元件值

此时wo=1/=0.0081

f 0=w0/2π=19.66kHz

相对误差Y=（19.66-20）/20=-1.7%

α =,此时fc=f0=20kHz

此时波特仪器输出为：

此时满足，要求通带增益为0dB，6dB截至频率分别为20Hz~20kHz，通道增益要求平坦，

为使截止在3dB范围内，各参数值还需要进一步调整。经过调整发现将电路各值整体扩大或缩小相同倍数可调节衰减幅度。

为方便计算通过Java编写程序及调试参数得到：

高通部分参数放大倍数：0.89

低通部分参数放大倍数：1.115

参数取不同倍数后数值如图所示，再次仿真得到波形已满足题目要求。

最后将各元件值就近取为系列值，得到最终参数及波形:

误差分别为：

Y1=（20.115-20）/20=0.5%

Y2=（20.161-20）/20=0.8%，均小于10%满足题目要求，至此设计完成。

设计中选取的功放：NE5532

选取原因：

单位增益带宽BWG=10MHz>>题目所需通过最大频率率20kHz

功率带宽fBWP=140kHz，Uop=0.1V,由此可得压摆率SR=2πUopfBWP≈9v/us响应快速变化的输入信号能力高。

以及题目处理信号为20-20kHz的音频信号，而NE5532具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力("驱动能力")及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高。

符合本题需要。

对所设计电路进行输入输出仿真，给出输入幅度为0.1Vpp，频率分别为20Hz、20kHz时的输出波形图，并记录输出幅度。

20Hz：输出vpp约为0.07

20kHz：输出vpp约为0.07

40kHz时，可见输出vpp已经大幅降低，滤波器发挥作用

图2 输出波形图仿真图

对所设计电路进行幅频特性仿真，给出幅频特性仿真图（背景白色），记录3dB截至频率和两过渡带的衰减。

3dB频率

左过渡带（1-20HZ）

右过渡带（20kHz-50MHz）

实验思考题

1、为什么设计出滤波器的截至频率会产生误差？

答：

在选择电容时电容与频率非线性关系，需要取一个大概值，以此计算的K0，以及系列参数均存在误差。

以及理论值与系列值存在差距。

系列值实物电阻也有实际值的误差。

2、总结设计宽带带通滤波器的方法。

答：首先通过题目要求带宽确定类型：

带宽较窄时考虑带通滤波器，带宽较宽时选择高通与低通级联构成带通滤波器