有源低通滤波器技术指导_有源低通滤波器电路设计_有源低通滤波器的运放

　　低通滤波（Low-pass filter）是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤（high-cut filter）或者最高去除过滤（treble-cut filter）。低通过滤是高通过滤的对立。

　　一、有源低通滤波器技术指导_有源低通滤波器电路设计----有源低通滤波器

　　对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average）所起的作用；低通滤波器有很多种。其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

　　二、有源低通滤波器技术指导_有源低通滤波器电路设计----有源低通滤波器的技术指标

　　

　　滤波效果由二级无源RC网络决定，运放提供增益以及提高带负载能力。

　　优点：负载不直接与RC网络联接，而通过高输入电阻，低输出电阻的运放连接，其RC网络的滤波性能不受负载的影响。电路除有滤波功能外，还有放大作用。

　　

　　由上式画出折线化幅频特性如图所示：

　　

　　从波特图可知：二阶低通有源滤波器（LPF）在时，特性近似以-40dB/十倍频程斜率下降，比一阶下降快了。但还不够，还应进一步向理想逼近。

　　2. 二阶压控电压源LPF

　　

　　它与普通二阶低通有源滤波器不同的地方是C1电容不接地，而是连接到电路的输出端了。这样连的思路是：在f0附近形成一定的正反馈，使该点频率附近的特性起峰来改善滤波效果。

　　

（点击图片可放大查看）

　　由此画出的幅频特性为：

　　

　　从波特图可知，它的滤波特性比普通的要好一些。

　　三、有源低通滤波器技术指导_有源低通滤波器电路设计----Multisim 8仿真软件和归一化方法设计有源低通滤波器电路

　　有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。它的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他频率的信号有抑制作用。有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号。

　　3.1 Multisim 8 仿真软件特点简介

　　Multisim 8 是早期的 Electronic Worbench（EWB）的升级换代的产品。早期的 EWB与 Multisim 8 在功能上不能同日而语。Multisim 8 提供了功能更强大的电子仿真设计界面，能进行射频、PSPICE、VHEDL、MCU 等方面的仿真。Multisim 8 提供了更为方便的电路图和文件管理功能。更重要的是，Multisim 8 使电路原理图的仿真与完成PCB 设计的Ultiboard10 仿真软件结合起来一起构成新一代的 EWB 软件，使电子线路的仿真与 PCB 的制作更为高效。通过将Multisim 8 电路仿真软件和LabVIEW 测量软件相集成，需要设计制作自定义PCB 的工程师能够非常方便地比较仿真数据和真实数据，规避设计上的反复，减少原型错误并缩短产品上市的时间。熟练掌握Multisim 8 电路仿真软件已成为当今电子电路分析和设计人员所必需具备的基本技能之一。

　　3.2 有源低通滤波电路基本原理

　　3.3 有源低通滤波电路基本概念

　　滤波电路的作用就是允许某段频率范围内的信号通过，而阻止或削弱其他频率范围的信号。有源滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，又称为有源滤波器。有源滤波器能 够在滤波的同时还能对信号起放大作用，这是无源滤波无法做到的。根据滤波电路通过或者 阻止信号频率范围不同，可将滤波电路分为低通、高通、带通河带阻电路。本文讨论的是有源低通滤波电路的设计与仿真研究。有源低通滤波电路能够通过低频信号，抑制或衰减高频信号。

　　3.4 有源低通滤波电路的组成和实验原理

　　二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC 环节和同相比例放大电路构成，电路如图所示。

　　

　　电路性能参数

　　其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：

　　

　　其传递函数：

　　

　　其中： Wo=1/RC 截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

　　

　　品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

　　

　　不同Q值的有源低通滤波电路的幅频特性曲线通过分析可知：当信号频率大于截止频率时信号的衰减率只有20dB/十倍频。而且在截止频率附近，有用信号也受到衰减。二阶压控有源低通滤波电路衰减可以达到40dB/倍频。而且在截止频率附近，有用信号可以得到一定提升。如果Q =0.707 时，滤波器的幅频特性最为平坦；如果Q 》0.707 时，幅频特性将出现峰值。因此，我们后面要用到巴特沃斯归一化方法设计电路图参数。

　　有源低通滤波器技术指导_有源低通滤波器电路设计----有源低通滤波器的运放

　　运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。

　　运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。）

　　实际是有要求的。首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响 。其次运放的开环增益AV0要足够大。但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。但在仿真时，不同的运放对滤波器的指标还是有影响的。

　　本次设计所用的运放芯片为NE5532，其指标如下：放大器数目：2 ，运放类型：低噪声 ，-3dB带宽增益乘积：10MHz ，变化斜率：9V/µs ，电源电压 最小：3V ，电源电压 最大：22V ，表面安装器件：表面安装 ，封装类型：SOIC 。实验时所用的电源电压为12V。针脚数：8 ，工作温度范围：0°C to +70°C ，器件标号：5532 ，增益带宽：10MHz ，工作温度最低：0°C ，工作温度最高：70°C ，放大器类型：Op Amp ，输入偏移电压 最大：4mV ，运放特点：Low Noise