通用雙極點高通有源濾波器綜述【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　通用雙極點高通有源濾波器綜述</p><p>　　摘要：本文對通用雙極點高通有源濾波作了較為全面的介紹。概括了各種不同濾波器濾波特性、設計方法及用各種軟件進行的仿真。比較了幾種有代表性的濾波器設計方

2、法，并對未來有源濾波器的發(fā)展趨勢進行了展望。</p><p>　　關鍵詞：濾波器；設計方法；仿真；展望</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　濾波器是一種能使有用信號順利通過而同時對無用頻率信號進行抑制(或衰減) 的電子裝置。工程上常用它來做信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等[1]。通用雙極點高通有源濾波的優(yōu)點是：高頻信

3、號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽[2]，反映動作迅速，濾除諧波可達到95％以上，補償無功細致[3]。</p><p>　　2、濾波器分類及應用</p><p>　　2.1 按采用元器件分</p><p>　　無源濾波器： 僅由無源元件(R、L

4、和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。</p><p>　　有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。</p><p>　　2.2 按所通過信號的頻段</p><p>　　按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。 </p><p>　　低通濾波器：它允許

5、信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 </p><p>　　高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。 </p><p>　　帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。 </p><p>　　帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。</p><p>

6、　　2.3 濾波器的選取及應用</p><p>　　濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中是一種常用的變換裝置．例如：帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置;低通濾波器用作數(shù)字信號分析系統(tǒng)中的抗頻混濾波;高通濾波器被用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲;帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器等等。 [4]</p><p>　　3、濾波器設計方法及仿真</p><p>　　3.1

7、 高性能多階有源帶通濾波器設計</p><p>　　通過對高階巴特沃思低通濾波器的特性研究，選擇了二階正反饋帶通濾波器和高階諧振型帶通濾波器 然后通過查設計手冊表格，確定元件歸一化值，最后將元件歸一化值換算到所要求的頻段及實際數(shù)值，然后到實驗室構建電路并調(diào)試修改，設計一實際帶通濾波器 。</p><p>　　根據(jù)設計的電路，在EDA軟件Multisim2001進行了仿真虛擬實驗，由于該軟件

8、具有非常強的有源元件和無源元件庫，并且可以對無源元件的精度進行設置，可以使仿真結果更真實。同時對該電路還進行了參數(shù)掃描分析、噪聲分析、靈敏度分析、溫度掃描分析等。通過的設計和實驗結果，該有源濾波器具有比較好的選頻特性；靈敏度比較高，調(diào)試方便，比較好地滿足了實際系統(tǒng)的需要。將傳統(tǒng)的設計方法與現(xiàn)代EDA技術相結合，對于復雜濾波器的設計，可以大大加快設計速度，設計成功率可達到100%。[5]</p><p>　　3.2

9、 基于貝塞爾帶通濾波器精確設計和仿真</p><p>　　帶通濾波器技術指標要求帶寬3dB為2MHz, 在4MHz處最小衰減為35dB.在整個通帶內(nèi)時延不變。雖然目前最常用的濾波器設計方法是巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)等幾種形式,但這些方法在設計140 MHz 濾設器時, 要通過變換以實現(xiàn)其帶通, 并且它們所設計的濾波器其群延遲特性在通帶內(nèi)呈現(xiàn)凹形波形, 在其實際的使用( 如在廣播、移動通信中的中頻濾波、二次濾波

10、)中要進行群延遲均衡,這使設計步驟繁瑣且使濾波電路復雜。而用Bessel 函數(shù)設計的帶通濾波器具有最窄過濾帶, 在通帶內(nèi)時延均衡[6], 在實際的應用中不需要加延遲均衡電路, 電路容易調(diào)整. 由于所有的節(jié)點諧振在相同的頻率上, 調(diào)諧比較簡單。根據(jù)技術要求, 利用參考文獻[7]中Bessel的性能表, 確定其帶通陡度系數(shù)。由Bessel的頻率響應曲線可設計一個N = 4的Bessel濾波器, 它在陡度系數(shù)5 處可提供超過35dB的衰減。電

11、路用電容耦合諧振電路來實現(xiàn)。同時借助Pspice軟件[8]強大的電路仿真功能對濾波器的波特圖和群延遲進行仿真, 以觀測其效果.</p><p>　　3.3 電路設計的PSpice仿真分析</p><p>　　將PSpice參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設計分析結合起來對電路進行最優(yōu)化設計方法的具體實施過程如下：</p><p>　　（1）利用PSpice的前端模塊Capture

12、按電路設計要求繪制電路圖，并編輯好所有元器件的屬性。</p><p>　?。?）選擇基本分析類型，并對相應分析類型的參數(shù)進行設置，通過PSpice對電路進行相應的基本特性分析，使電路基本滿足設計的要求。</p><p>　?。?）通過PSpice的參數(shù)掃描分析，選擇能滿足電路設計指標的元器件參數(shù)的初始值，使電路性能指標接近設計的要求。參數(shù)掃描主要是分析電路中元器件參數(shù)值的變化對電路特性的影

13、響，通過此種分析可以正確地選擇元器件參數(shù)的設計值，包括電壓源、電流源、各種常用元器件的模型參數(shù)和全局參數(shù)等。</p><p>　?。?）利用PSpice的波形處理器Probe，將PSpice仿或打印設備上顯示出來，以便于比較和分析，并且仿真結果還可接受由基本參數(shù)組成的任意數(shù)學表達式。</p><p>　?。?）基本分析完成后，對電路進行優(yōu)化設計仿真分析是很有必要的。在優(yōu)化仿真分析時，需要設

14、置可調(diào)整的元器件參數(shù)、待優(yōu)化的目標參數(shù)和相應的約束條件等有關的參數(shù)，此過程是整個電路設計仿真分析的關鍵，因為他決定了最大迭代次數(shù)和仿真分析的次數(shù)，也決定了最終能否達到滿意的優(yōu)化設計結果。通過運行優(yōu)化仿真程序，可得到電路性能參數(shù)的最終優(yōu)化值、元器件參數(shù)的最終優(yōu)化設計值、優(yōu)化結果的均方根誤差、最大迭代次數(shù)和仿真分析次數(shù)。</p><p>　?。?）最后將優(yōu)化仿真設計的結果與設計性能指標進行比較和分析，并用最終優(yōu)化仿真

15、設計得到的元器件參數(shù)值去自動更新原理圖中相應的元器件參數(shù)，從而完成整個電路的設計。[9][10]</p><p>　　3.4 通用雙極點有源濾波器</p><p>　　圖3-1 通用雙極點有源濾波器</p><p>　　圖1所示的有源濾波器電路，由導納到和一個理想的電壓跟隨器組成。下面來推到這種通用濾波網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)，并利用指定的導納來得出特定的濾波器特性。<

16、/p><p>　　列出節(jié)點處的KCL方程可得</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　列出節(jié)點處的KCL方程可得</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　由電壓跟隨器特性可得。于是式（2）可變化為</p>&l

17、t;p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　將（3）代入式（1），并再次考慮到,可得</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式（4）兩邊同乘以，并重新整理可得電壓傳輸函數(shù)的表達式為</p><p><b>　　(3-5)</b>

18、;</p><p>　　為了得到低通濾波器，和必須是電導，允許低頻率信號通過電壓跟隨器。如果元件是電容器，那么輸出信號在高頻時將衰減。</p><p>　　為了得到雙極點有源濾波器的傳輸函數(shù)，也必須為電容器。而另一方面，如果和為電容器，則信號中的低頻成分被阻斷，而高頻成分通過且能到達電壓跟隨器，結果為高通濾波器。所以，導納和都必須為電導才能得到雙極點高通傳輸函數(shù)。</p>&

19、lt;p><b>　　4 前景展望</b></p><p>　　目前，我國對APF的研究還主要集中在試驗研究階段，離實用化還有較長的距離。從近年來的研究可以看出APF具有以下的發(fā)展前景：</p><p>　　1)將智能控制引入傳統(tǒng)控制方法中?，F(xiàn)在的智能控制方法雖然已經(jīng)逐漸應用到有源濾波器的研究中，如無差拍控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，但現(xiàn)階段還沒有真正用于實際的例子。因

20、此，建立統(tǒng)一的、能用于實際工程的有源濾波器模型是智能控制需要解決的問題。</p><p>　　2)采用多電平或多重化主電路來實現(xiàn)大容量APF。近幾年，多電平逆變技術以及多電平并聯(lián)技術由于其在輸出波形質(zhì)量、開關損耗、器件應力等方面的突出優(yōu)點，引起了廣泛的關注。隨著門極可關斷高壓半導體器件的發(fā)展和多電平逆變器技術的不斷發(fā)展，可以預見，APF將會有更大的發(fā)展前途。另外還可以嘗試多臺APF并聯(lián)運行的可能性。</p&

21、gt;<p>　　3)隨著DSP技術數(shù)字信號處理專用高速芯片控制技術的不斷發(fā)展，實現(xiàn)APF控制的全數(shù)字化，將更有利于降低成本、全面工業(yè)化。[11]</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄧勇,劉琪,施文康.通用有源濾波器UAF42 的原理及應用[J].上海: 國外電子元器件，2001.</p><p

22、>　　[2] 百度百科,濾波器[EB/OL],[010-11-25].</p><p>　　http://baike.baidu.com/view/141368.htm.</p><p>　　[3] 百度百科,模擬濾波器[EB/OL],[010-11-25].</p><p>　　http://baike.baidu.com/view/3161131.htm.

23、</p><p>　　[4] net.模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中...模擬濾波器的應用3628[EB/OL],[010-11-25].</p><p>　　http://www2.minitos.com/article/design/info-19501.htm.</p><p>　　[5] 姚福安,徐衍亮.高性能多階有源帶通濾波器設計[J].電子測量與儀

24、器學報，2005.</p><p>　　[6] 朱麗平, 朱義勝. PSPICE FOR WINDOWS[M].大連: 大連海事大學出版社,1999.</p><p>　　[7] Arther B Williams. ELECTRONIC FILTER DESIGN HANDBOOK[ M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.</p><p>　　[8] 呂洪江,

25、 楊新德. 實用衛(wèi)星通信工程[M].上海: 電子工業(yè)出版社,2003. </p><p>　　[9] 王少夫.新型70MHz帶通濾波器設計[J].聲學與電子工程,2004,(04) . </p><p>　　[10] 王少夫,朱義勝.基于貝塞爾帶通濾波器精確設計和仿真[J].大連海報 ,2005,(01).</p><p>