詳解帶通濾波器的電路分析—電路圖天天讀（271）

　　傳統(tǒng)的帶通濾波器設(shè)計(jì)方法中涉及了很多復(fù)雜的理論分析和計(jì)算。針對(duì)上述缺點(diǎn)，介紹一種使用 EDA 軟件進(jìn)行帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了使用 FilterPro 軟件進(jìn)行有源帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)步驟，然后給出了在 Proteus 中對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿 真分析和測(cè)試的方法。測(cè)試結(jié)果表明，使用該方法設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有性能穩(wěn)定。設(shè)計(jì)難度小等優(yōu)點(diǎn)，也為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。

　　帶通濾波器是一種僅允許特定頻率通過(guò)，同時(shí)對(duì)其余頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制的電路。由于它對(duì)信號(hào)具有選擇性， 故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè) 計(jì)中。但是， 帶通濾波器的種類(lèi)繁多， 各個(gè)類(lèi)型的設(shè)計(jì)差異也很大， 這就導(dǎo)致了在傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)方法中不可避免地要進(jìn)行大量的理論計(jì)算與分析，不但損失了寶貴的時(shí)間， 同時(shí)也提升了電路的設(shè)計(jì)門(mén)檻。為了解決上述弊端，本文介紹了一種使用FilterPro 和 Proteus 相結(jié)合的有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，隨著EDA 技術(shù)的不斷發(fā)展，這種方法的優(yōu)勢(shì)也將越來(lái)越明顯。

圖1 使用理想運(yùn)放的帶通濾波器

　　電路原理圖如圖1所示。然后可在 Proteus 中搭建電路進(jìn)行仿真分析， 前面已經(jīng)提到， FilterPro 生成的濾波器中的運(yùn)放使用的理想運(yùn)放模型，所以仿真時(shí)需要先用理想運(yùn)放進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行替換。

圖2 實(shí)際搭建的濾波器電路

　　設(shè)計(jì)中運(yùn)放選擇TI產(chǎn)品典型的通用雙放LM358，LM358里面包括兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，特點(diǎn)方面具有低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，它的共模輸入電壓范圍較寬，差模輸入電壓范圍等于電源電壓范圍，單電源供電電壓3-32V，雙電源供電±1.5-±16V，單位增益帶寬為1MHz，適用于一般的帶通濾波器的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有低功耗的功能，對(duì)于設(shè)計(jì)階數(shù)相對(duì)高一些的帶通濾波器的話(huà)，可以選用TI的四運(yùn)放LM324，其性能與LM358大體相同，應(yīng)用起來(lái)節(jié)省空間。對(duì)于運(yùn)放的要求此設(shè)計(jì)不是特別高，只要運(yùn)放的頻率滿(mǎn)足低通的截止頻率即可，如果精確度要求高的話(huà)那么首先運(yùn)放的供電電壓要足夠穩(wěn)定，或者選擇精密運(yùn)放，如TLC274A，否則通用的即可，例如推薦 TI的LM224四運(yùn)放。

　　巴特沃斯帶通濾波器幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是從通帶到阻帶衰減較慢，如果對(duì)于過(guò)渡帶要求稍高，可以增加階數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則改選用切比雪夫?yàn)V波電路。

　　下面討論設(shè)計(jì)兩種帶通濾波器，其一為二階低通濾波器和二階高通濾波器組成的四階帶通濾波器，如下圖：

　　圖3 四階帶通濾波器

　　參數(shù)選擇與計(jì)算：

　　對(duì)于低通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取1000pF，對(duì)于高通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取0.1uF，然后根據(jù)公式 R=1/2Πfc計(jì)算得出與電容相組合的電阻值，即得到此圖中R2、R6和R7，為了消除運(yùn)放的失調(diào)電流造成的誤差，盡量是運(yùn)放同相輸入端與反向輸入端對(duì)地的直流電阻基本相等，同時(shí)巴特沃斯濾波器階數(shù)與增益有一定的關(guān)系（見(jiàn)表1），根據(jù)這兩個(gè)條件可以列出兩個(gè)等式：30=R4*R5/（R4+R5），R5=R4（A- 1），36=R8*R9/（R8+R9），R8=R9（A-1）由此可以解出R4、R5、R8、R9，原則是根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況稍調(diào)整電阻值保持在一定限度內(nèi)即可，不要相差太大，注意頻率不要超過(guò)運(yùn)放的標(biāo)定頻率。

　　表1 巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)與增益的關(guān)系

　　其二是二階有源帶通濾波器，只用一個(gè)放大區(qū)間，如下圖：

　　圖4二階帶通濾波器

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本文介紹的這種帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的通用性。實(shí)踐表明，該方法不但可以避免一些復(fù)雜的理論計(jì)算和分析，同時(shí)通過(guò)仿真還可以直觀的檢驗(yàn)電路的輸入和輸出，進(jìn)而使得濾波器的性能更加的穩(wěn)定。
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