常见运放滤波电路

滤波电路这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中，为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器，在某种意义上说，像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用，这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2的直流偏置，这个电容就可以省略。这些电路的输出都包含了VCC/2的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。这里有一个有关滤波器设计的协定，这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单，但是以下几点设计者必须注意：1.滤波器的拐点(中心)频率2.滤波器电路的增益3.带通滤波器和带阻滤波器的的Q值4.低通和高通滤波器的类型(Butterworth、Chebyshev、Bessell)不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。3．1一阶滤波器一阶滤波器是最简单的电路，他们有20dB每倍频的幅频特性3．1．1低通滤波器典型的低通滤波器如图十三所示。图十三3．1．2高通滤波器典型的高通滤波器如图十四所示。图十四3．1．3文氏滤波器文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益，但是它可以改变信号的相角，同时也用来做相角修正电路。图十五中的电路对频率是F的信号有90度的相移，对直流的相移是0度，对高频的相移是180度。3．2二阶滤波器二阶滤波电路一般用他们的发明者命名。他们中的少数几个至今还在使用。有一些二阶滤波器的拓扑结构可以组成低通、高通、带通、带阻滤波器，有些则不行。这里没有列出所有的滤波器拓扑结构，只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。图十五(见图十七上)二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器使用相同的元件来调整他们的Q值，而且他们使滤波器在Butterworth和Chebyshev滤波器之间变化。必须要知道只有Butterworth滤波器可以准确的计算出拐点频率，Chebyshev和Bessell滤波器只能在Butterworth滤波器的基础上做一些微调。我们通常用的带通和带阻滤波器有非常高的Q值。如果需要实现一个很宽的带通或者带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串连起来。对于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部分，对于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部分。这里没有介绍反相Chebyshev和Elliptic滤波器，因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen－Key滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围，请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用，其结果都是可以接受的。3．2．1Sallen－Key滤波器Sallen-Key滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成Butterworth或Chebyshev滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【1】和参考条目【2】，那里介绍了各种拓扑的细节。这个电路是一个单位增益的电路，改变Sallen－Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen－Key滤波器就是增益为1的Butterworth滤波器。图十六(见图十七中)3．2．2多反馈滤波器多反馈滤波器是一种通用，低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是，设计时的计算有些复杂，在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需要的是一个单位增益的Butterworth滤波器，那么这里的电路就可以给出一个近似的结果。图十七3．2．3双T滤波器双T滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的，但幸运的是这仍是一个常容易的过程，这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3和C3计算出来。应该尽量选用同一批的元件，他们有非常相近的特性。3．2．3．1单运放实现图十八如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器，就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E－961％系列中选择，这样就可以破坏振荡条件。图十九3．2．3．2双运放实现典型的双运放如图20到图22所示图二十图二十一图二十二3．2．4Fliege滤波器Fliege滤波器采用了双运放结构(图二十三～图二十六)，所以相对于单运放实现的滤波器他是一种成本较高的滤波器，但是他对拐点频率或者Q值有非常强的控制能力，可以非常方便的进行调整，而且他是一种全新的滤波器。用它组成的低通、高通、和带通滤波器的增益是固定的，带阻滤波器他的增益是一。图二十三图二十四图二十五图二十六3．2．5Akerberg－Mossberg滤波器图二十七～图三十中的三运放滤波器是很容易实现。对于低通和高通滤波器可以很方便的调整增益，对于带通和带阻滤波器可以非常容易的调整Q值。带阻滤波器的性能会比双T滤波器差一些，但是也不错。图二十七图二十八图二十九3．2．6BiQuadBiquad滤波器是一种出名的滤波器结构(图三十一)。他只能组成低通和带通滤波器。低通滤波器可以根据需要做成同相和反相输出。3．2．7SateVariableSateVariable是一种三运放或四运放的拓扑结构。第四个运放在带阻滤波器中必须使用。他也是一种非常便于调整的滤波器拓扑结构，并且他可以很方便的在低通和高通滤波器之间相互转换，另外对于带通和带阻滤波器的Q值也可以非常方便的进行调整。但是不幸的是，Akerberg－Mossberg并不是一种令人喜欢的拓扑结构。因为调整增益、类型、Q值和限制的电阻是同一个电阻。这就是很多人不愿意用它的原因，除非在应用中同时需要高通、低通、带通和带阻滤波器。