通用雙極點(diǎn)高通有源濾波器綜述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　通用雙極點(diǎn)高通有源濾波器綜述</p><p>　　摘要：本文對(duì)通用雙極點(diǎn)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(shè)計(jì)方法及用各種軟件進(jìn)行的仿真。比較了幾種有代表性的濾波器設(shè)計(jì)方

2、法，并對(duì)未來(lái)有源濾波器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：濾波器；設(shè)計(jì)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(hào)順利通過(guò)而同時(shí)對(duì)無(wú)用頻率信號(hào)進(jìn)行抑制(或衰減) 的電子裝置。工程上常用它來(lái)做信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等[1]。通用雙極點(diǎn)高通有源濾波的優(yōu)點(diǎn)是：高頻信

3、號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)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(dòng)作迅速，濾除諧波可達(dá)到95％以上，補(bǔ)償無(wú)功細(xì)致[3]。</p><p>　　2、濾波器分類(lèi)及應(yīng)用</p><p>　　2.1 按采用元器件分</p><p>　　無(wú)源濾波器： 僅由無(wú)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(gòu)成的。</p><p>　　有源濾波器：由無(wú)源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。</p><p>　　2.2 按所通過(guò)信號(hào)的頻段</p><p>　　按所通過(guò)信號(hào)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(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 </p><p>　　高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，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(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。 </p><p>　　帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。</p><p>

6、　　2.3 濾波器的選取及應(yīng)用</p><p>　　濾波器在測(cè)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(hào)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(cè)儀中剔除低頻干擾噪聲;帶阻濾波器用作電渦流測(cè)振儀中的陷波器等等。 [4]</p><p>　　3、濾波器設(shè)計(jì)方法及仿真</p><p>　　3.1

7、 高性能多階有源帶通濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)對(duì)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(guò)查設(shè)計(jì)手冊(cè)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(shí)際數(shù)值，然后到實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建電路并調(diào)試修改，設(shè)計(jì)一實(shí)際帶通濾波器 。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，在EDA軟件Multisim2001進(jìn)行了仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，由于該軟件

8、具有非常強(qiáng)的有源元件和無(wú)源元件庫(kù)，并且可以對(duì)無(wú)源元件的精度進(jìn)行設(shè)置，可以使仿真結(jié)果更真實(shí)。同時(shí)對(duì)該電路還進(jìn)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(guò)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)際系統(tǒng)的需要。將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代EDA技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于復(fù)雜濾波器的設(shè)計(jì)，可以大大加快設(shè)計(jì)速度，設(shè)計(jì)成功率可達(dá)到100%。[5]</p><p>　　3.2

9、 基于貝塞爾帶通濾波器精確設(shè)計(jì)和仿真</p><p>　　帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)要求帶寬3dB為2MHz, 在4MHz處最小衰減為35dB.在整個(gè)通帶內(nèi)時(shí)延不變。雖然目前最常用的濾波器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)140 MHz 濾設(shè)器時(shí), 要通過(guò)變換以實(shí)現(xiàn)其帶通, 并且它們所設(shè)計(jì)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(shí)際的使用( 如在廣播、移動(dòng)通信中的中頻濾波、二次濾波

10、)中要進(jìn)行群延遲均衡,這使設(shè)計(jì)步驟繁瑣且使濾波電路復(fù)雜。而用Bessel 函數(shù)設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有最窄過(guò)濾帶, 在通帶內(nèi)時(shí)延均衡[6], 在實(shí)際的應(yīng)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(diǎn)諧振在相同的頻率上, 調(diào)諧比較簡(jiǎn)單。根據(jù)技術(shù)要求, 利用參考文獻(xiàn)[7]中Bessel的性能表, 確定其帶通陡度系數(shù)。由Bessel的頻率響應(yīng)曲線可設(shè)計(jì)一個(gè)N = 4的Bessel濾波器, 它在陡度系數(shù)5 處可提供超過(guò)35dB的衰減。電

11、路用電容耦合諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)借助Pspice軟件[8]強(qiáng)大的電路仿真功能對(duì)濾波器的波特圖和群延遲進(jìn)行仿真, 以觀測(cè)其效果.</p><p>　　3.3 電路設(shè)計(jì)的PSpice仿真分析</p><p>　　將PSpice參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析結(jié)合起來(lái)對(duì)電路進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)施過(guò)程如下：</p><p>　?。?）利用PSpice的前端模塊Capture

12、按電路設(shè)計(jì)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(lèi)型，并對(duì)相應(yīng)分析類(lèi)型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)PSpice對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的基本特性分析，使電路基本滿足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　?。?）通過(guò)PSpice的參數(shù)掃描分析，選擇能滿足電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的元器件參數(shù)的初始值，使電路性能指標(biāo)接近設(shè)計(jì)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(duì)電路特性的影

13、響，通過(guò)此種分析可以正確地選擇元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)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>　　（4）利用PSpice的波形處理器Probe，將PSpice仿或打印設(shè)備上顯示出來(lái)，以便于比較和分析，并且仿真結(jié)果還可接受由基本參數(shù)組成的任意數(shù)學(xué)表達(dá)式。</p><p>　?。?）基本分析完成后，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析是很有必要的。在優(yōu)化仿真分析時(shí)，需要設(shè)

14、置可調(diào)整的元器件參數(shù)、待優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)和相應(yīng)的約束條件等有關(guān)的參數(shù)，此過(guò)程是整個(gè)電路設(shè)計(jì)仿真分析的關(guān)鍵，因?yàn)樗麤Q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(dá)到滿意的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。通過(guò)運(yùn)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(shè)計(jì)值、優(yōu)化結(jié)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(shè)計(jì)的結(jié)果與設(shè)計(jì)性能指標(biāo)進(jìn)行比較和分析，并用最終優(yōu)化仿真

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

16、/p><p>　　列出節(jié)點(diǎn)處的KCL方程可得</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　列出節(jié)點(diǎn)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(dá)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(dǎo)，允許低頻率信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器。如果元件是電容器，那么輸出信號(hào)在高頻時(shí)將衰減。</p><p>　　為了得到雙極點(diǎn)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(hào)中的低頻成分被阻斷，而高頻成分通過(guò)且能到達(dá)電壓跟隨器，結(jié)果為高通濾波器。所以，導(dǎo)納和都必須為電導(dǎo)才能得到雙極點(diǎn)高通傳輸函數(shù)。</p>&

19、lt;p><b>　　4 前景展望</b></p><p>　　目前，我國(guó)對(duì)APF的研究還主要集中在試驗(yàn)研究階段，離實(shí)用化還有較長(zhǎng)的距離。從近年來(lái)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(yīng)用到有源濾波器的研究中，如無(wú)差拍控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，但現(xiàn)階段還沒(méi)有真正用于實(shí)際的例子。因

20、此，建立統(tǒng)一的、能用于實(shí)際工程的有源濾波器模型是智能控制需要解決的問(wèn)題。</p><p>　　2)采用多電平或多重化主電路來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量APF。近幾年，多電平逆變技術(shù)以及多電平并聯(lián)技術(shù)由于其在輸出波形質(zhì)量、開(kāi)關(guān)損耗、器件應(yīng)力等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注。隨著門(mén)極可關(guān)斷高壓半導(dǎo)體器件的發(fā)展和多電平逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，APF將會(huì)有更大的發(fā)展前途。另外還可以嘗試多臺(tái)APF并聯(lián)運(yùn)行的可能性。</p&

21、gt;<p>　　3)隨著DSP技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理專(zhuān)用高速芯片控制技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)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(xiàn)</b></p><p>　　[1] 鄧勇,劉琪,施文康.通用有源濾波器UAF42 的原理及應(yīng)用[J].上海: 國(guó)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(cè)試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中...模擬濾波器的應(yīng)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(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀

24、器學(xué)報(bào)，2005.</p><p>　　[6] 朱麗平, 朱義勝. PSPICE FOR WINDOWS[M].大連: 大連海事大學(xué)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(shí)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(shè)計(jì)[J].聲學(xué)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(shè)計(jì)和仿真[J].大連海報(bào) ,2005,(01).</p><p>