运算放大器的高阶低通滤波器设计
摘 要在当前这个时代，高性能低通滤波器在绝大多数的电子产品中都扮演了十分关键的角色。在本文中，我们对滤波器的过渡带、阻带以及通频带一一加以分析，将俗称为巴特沃斯技术的通频带最大扁平度技术加以应用，以此来设计出高性能低通滤波器的电路。充分熟悉掌握滤波器相关的基础理论知识，包括滤波器的定义和分类方法；滤波器的主要技术参数，低通滤波器的设计和实现方法，并且对常用的四种滤波器的经典逼近方法——巴特沃斯，切比雪夫，摘圆和贝塞尔逼近方法的原理。主要介绍了滤波器的分类、技术参数，还介绍了二阶滤波器的传递函数理论，以及经典常用的低通滤波器逼近方法。分析了无漂移全极点有源低通滤波器的原理，包括无漂移基本电路，任意阶全极点低通滤波器的有源无漂移实现，并进行仿真验证。分析了运算放大器极点对任意阶全极点低通滤波器的影响，设计了一类新的有源高阶滤波器，通过节点法，对该电路来进行验证。最后，采用仿真软件对电路进行仿真分析。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.1.1传统滤波器的设计与发展 2
1.1.2近现代滤波器的设计与研究 2
1.1.3统计滤波的理论 3
1.2研究滤波器的目的和意义 4
第二章 低通滤波器基础理论概述 5
2.1滤波器的主要参数 5
2.2滤波器的传递函数 6
2.3低通滤波器的定义及表征方法 7
2.4低通滤波器的经典逼近方法 8
2.4.1巴特沃斯(Butterworth)滤波器 8
2.4.2切比雪夫(Chebyshev)滤波器 9
2.4.3贝塞尔(Bessel)滤波器 9
第三章 高阶低通滤波器设计 11
3.1基本节点路 11
3.2任意阶全极点低通滤波器的有源无漂移实现 12
3.3仿真结果及分析 12
3.4运算放大器 15
第四章 运算放大器的仿真实验及结果 16
4.1 有限增益与有限带宽对系统影响的理论分析 16
4.2仿真实验与结果分析 16
结束语 19
致 谢 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
参考文献 20
绪论
1.1引言
滤波器作为不可缺少的一部分，在许许多多的领域都扮演着非常关键的角色，例如电传控制、移动通信技术、信号处理技术、计算机应用于科学技术、仪器仪表技术等等一大批电子应用技术。上世纪初期，美国科学家坎普贝尔以及德国电子学家旺格勒尔就在学术界提出了滤波器的概念。一百年风雨历程，一个世纪的沧海桑田，滤波器从无到有，从简单到复杂，从分立到单片集成，从无源到有源，从模拟到数字又回到模拟，不断发展，不断改进，变得越来越先进。
一开始科学家们发明的的滤波器是无源滤波器，由各种各样的分立元件组成，比如R、L、C等等。而且因为它使用电感，所以人们不能使之变的轻巧和使它拥有高度集成的特性，它有着大尺寸、大损耗、大噪声的固有缺点。发明初期的滤波器就只是一些单纯的电路和系统，但他们具有选频特性，能够进行单一的选频或者选择一个频率范围。一开始的串联并联谐振回路的通频带比较窄，而且衰减特性并不能很好地满足人们对于它的特性要求。直到一种新型滤波器的出现，才使得宽通频带成为可能。
人类文明不断发展，科学技术日新月异，人类不断减小滤波器的衰减渴望它能够降到最低值，而且互相联通的时候可以进行阻抗匹配。很多滤波器的设计方法因为人们的这个要求而出现，而且不能否认这些方法使得滤波器的设计简单实用。经典滤波器设计理论的重点内容是将无源滤波器用影响参数法设计。如果将这种理论贯彻到滤波器的设计中，能够给设计者带来极大的便利，因为可以查到很多现有的资料，这也是这种理论的优势所在。之后为了使造出的滤波器拥有更高精准度和精密性，科学家提出了现代滤波器设计理论，这就是可以实现的转移函数來近似滤波器技术指标的理论。现代滤波器设计理论相较之于前面的方案更加简洁高效。
非线性滤波器得益于非线性元器件的产生而进步神速。有一些降低噪声的系统，都可以把它看成是通过有用信号拦截无用信号的形式在生活中的实际运用。非线性滤波器拥有非线性的输入输出关系。随着非线性滤波器的产生发展，人们对滤波器的理解又增加了非线性模式，它的概念也得以补充和完善，滤波器的在生活中的应用增大，并且在不断地延伸。
1.1.1传统滤波器的设计与发展
科学家们在滤波器被发明之后就一直在对它的设计方案进行研究，尽可能使设计出的滤波器具有高性能、高灵活性和高可靠性，并且要工艺简单、方便维护、使用便捷。而微电子的发展给滤波器的设计带来了福音，因为此时有了集成电路。萨伦克依在上个世界五六十年代用单放大器设计出了有源RC滤波器。这种RC有源滤波器拥有线性运算放大器，他可以在低频段拥有较小的体积以及较低的重量，而且成本低廉却性能强悍。原先的无源滤波器根本无法与之抗衡。
上世纪90年代开始，以电子计算机为主导的第三次工业革命开始。滤波器借助于电脑技术的发展成果使阻抗要求、元件数量类型、幅值限制、相位特性等原先不可能达成的技术指标前途光明。对于传统滤波器电路来说，一并达到多个指标还要求拥有较高的精度是一项几乎遥不可及的梦想。滤波器设计王国中一个新的领域——数字滤波器随着计算机技术的不断发展而横空出世。
数字滤波器体积小、精度高、更可靠、更小巧、更灵活、更稳定，而且他还拥有较大的存储能力和极高的性价比，与先前的模拟滤波器比展现出了无与伦比的优势。最突出的优势就是它可以调定滤波器参数使之达到一个比较高的精度。要是设计出的滤波器没达到要求，还可以重置参数，从而使滤波器造价低廉。
1.1.2近现代滤波器的设计与研究
SCF滤波器的高频应用在1980年开始始终无法实现突破，科学家转而研究全集成连续时间滤波器。先前讲述了DF数字滤波器以及SCF开关电容滤波器，但不管是哪一种，面对连续时间信号时，都得进行不一样的数字化处理，而且都会存在一定的缺点和弊端，这是在数字化过程中无法回避的。系统的工作频率会在对连续的时间信号进行采样时收到奈奎斯特定理的掣肘，并且需要带限滤波器来防止混叠以及增加平滑滤波器来得到平滑输出，这样才能满足奈奎斯特抽样定理的要求。但是高频噪声还是可以在采样过程中混到基带里面去，这就增加了滤波器的复杂程度。除了这些，还会存在一些额外因素，例如寄生震荡或者量化噪声等等。从1990年开始，科学家们就一直无法攻克这些难题，所以全集成连续时间滤波器就逐渐成了科学家们的新方向。
人们通常用两种标准对模拟滤波器进行分类。第一种是把电流的连续性作为标准，有采样数据以及连续时间。采样数据滤波器在低频以及高精度场合得到了广泛的应用。上世纪八十年代末，SI作为另外一种技术被提出，然后出现了进一步发展的Si，上个世纪90年代中旬又出现了低电压全差分SI滤波器。随着市场上便携式电子产品需求量的不断增加以及数字电路发展的制衡，这几年低电压成为集成电路的一个必需条件。但是，SI电路中的MOS管可能会因为低电压从而无法实现导通，直到现在科学家们都没有研究出一个切实可行的解决方案。所以Sc滤波器并没有相较于SI滤波器有多少技术落后。在采样数据滤波器的具体实践中，时钟馈通以及电荷注入是存在的最要紧的麻烦，它既难以被预测也难以被消除。而且这种影响会随着采样频率的提高而变得越来越明显。一般来说，SC以及SI滤波器只在低频用到。除了这些以外，SC和SI滤波器在具体应用时还要相对应的接口电路、平滑滤波器以及抗混叠滤波器，电路的动态范围可以在这些器件的影响下变小。
跨导放大器的GM是可以被外部调控的，所以他的调整十分简单应为它可以用外部电压来调控。跨导放大器的单片集成十分简便，这得益于他的电容以及跨导都可以与MOS工艺相兼容、采样数据滤波器容易受到时钟馈通的影响，因为他需要比通带大很多的时钟信号，所以相比较于CT滤波器，即连续时间滤波器，采样数据滤波器并不是太好。连续时间滤波器在这些年发展迅猛，让世界惊叹。在模拟信号处理这个领域，比如硬盘驱动器、视频信号处理、无线电通信以及电话等等，都运用的非常广泛。有源RC滤波器难以集成，但是自从有了MOSFET_C滤波器之后，这个问题就在原理上被破解了。MOSEFT_C滤波器是在SC滤波器之后的另外一类全集成系统。OTA_C滤波器工作时的频率高而且他的电路相对简单，可是MOSEFT_C滤波器由于受到运算放大器频率的限制工作频率比较低，寄生参数也不会对他产生明显的影响，所以它具有一定的劣势。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.1.1传统滤波器的设计与发展 2
1.1.2近现代滤波器的设计与研究 2
1.1.3统计滤波的理论 3
1.2研究滤波器的目的和意义 4
第二章 低通滤波器基础理论概述 5
2.1滤波器的主要参数 5
2.2滤波器的传递函数 6
2.3低通滤波器的定义及表征方法 7
2.4低通滤波器的经典逼近方法 8
2.4.1巴特沃斯(Butterworth)滤波器 8
2.4.2切比雪夫(Chebyshev)滤波器 9
2.4.3贝塞尔(Bessel)滤波器 9
第三章 高阶低通滤波器设计 11
3.1基本节点路 11
3.2任意阶全极点低通滤波器的有源无漂移实现 12
3.3仿真结果及分析 12
3.4运算放大器 15
第四章 运算放大器的仿真实验及结果 16
4.1 有限增益与有限带宽对系统影响的理论分析 16
4.2仿真实验与结果分析 16
结束语 19
致 谢 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
参考文献 20
绪论
1.1引言
滤波器作为不可缺少的一部分，在许许多多的领域都扮演着非常关键的角色，例如电传控制、移动通信技术、信号处理技术、计算机应用于科学技术、仪器仪表技术等等一大批电子应用技术。上世纪初期，美国科学家坎普贝尔以及德国电子学家旺格勒尔就在学术界提出了滤波器的概念。一百年风雨历程，一个世纪的沧海桑田，滤波器从无到有，从简单到复杂，从分立到单片集成，从无源到有源，从模拟到数字又回到模拟，不断发展，不断改进，变得越来越先进。
一开始科学家们发明的的滤波器是无源滤波器，由各种各样的分立元件组成，比如R、L、C等等。而且因为它使用电感，所以人们不能使之变的轻巧和使它拥有高度集成的特性，它有着大尺寸、大损耗、大噪声的固有缺点。发明初期的滤波器就只是一些单纯的电路和系统，但他们具有选频特性，能够进行单一的选频或者选择一个频率范围。一开始的串联并联谐振回路的通频带比较窄，而且衰减特性并不能很好地满足人们对于它的特性要求。直到一种新型滤波器的出现，才使得宽通频带成为可能。
人类文明不断发展，科学技术日新月异，人类不断减小滤波器的衰减渴望它能够降到最低值，而且互相联通的时候可以进行阻抗匹配。很多滤波器的设计方法因为人们的这个要求而出现，而且不能否认这些方法使得滤波器的设计简单实用。经典滤波器设计理论的重点内容是将无源滤波器用影响参数法设计。如果将这种理论贯彻到滤波器的设计中，能够给设计者带来极大的便利，因为可以查到很多现有的资料，这也是这种理论的优势所在。之后为了使造出的滤波器拥有更高精准度和精密性，科学家提出了现代滤波器设计理论，这就是可以实现的转移函数來近似滤波器技术指标的理论。现代滤波器设计理论相较之于前面的方案更加简洁高效。
非线性滤波器得益于非线性元器件的产生而进步神速。有一些降低噪声的系统，都可以把它看成是通过有用信号拦截无用信号的形式在生活中的实际运用。非线性滤波器拥有非线性的输入输出关系。随着非线性滤波器的产生发展，人们对滤波器的理解又增加了非线性模式，它的概念也得以补充和完善，滤波器的在生活中的应用增大，并且在不断地延伸。
1.1.1传统滤波器的设计与发展
科学家们在滤波器被发明之后就一直在对它的设计方案进行研究，尽可能使设计出的滤波器具有高性能、高灵活性和高可靠性，并且要工艺简单、方便维护、使用便捷。而微电子的发展给滤波器的设计带来了福音，因为此时有了集成电路。萨伦克依在上个世界五六十年代用单放大器设计出了有源RC滤波器。这种RC有源滤波器拥有线性运算放大器，他可以在低频段拥有较小的体积以及较低的重量，而且成本低廉却性能强悍。原先的无源滤波器根本无法与之抗衡。
上世纪90年代开始，以电子计算机为主导的第三次工业革命开始。滤波器借助于电脑技术的发展成果使阻抗要求、元件数量类型、幅值限制、相位特性等原先不可能达成的技术指标前途光明。对于传统滤波器电路来说，一并达到多个指标还要求拥有较高的精度是一项几乎遥不可及的梦想。滤波器设计王国中一个新的领域——数字滤波器随着计算机技术的不断发展而横空出世。
数字滤波器体积小、精度高、更可靠、更小巧、更灵活、更稳定，而且他还拥有较大的存储能力和极高的性价比，与先前的模拟滤波器比展现出了无与伦比的优势。最突出的优势就是它可以调定滤波器参数使之达到一个比较高的精度。要是设计出的滤波器没达到要求，还可以重置参数，从而使滤波器造价低廉。
1.1.2近现代滤波器的设计与研究
SCF滤波器的高频应用在1980年开始始终无法实现突破，科学家转而研究全集成连续时间滤波器。先前讲述了DF数字滤波器以及SCF开关电容滤波器，但不管是哪一种，面对连续时间信号时，都得进行不一样的数字化处理，而且都会存在一定的缺点和弊端，这是在数字化过程中无法回避的。系统的工作频率会在对连续的时间信号进行采样时收到奈奎斯特定理的掣肘，并且需要带限滤波器来防止混叠以及增加平滑滤波器来得到平滑输出，这样才能满足奈奎斯特抽样定理的要求。但是高频噪声还是可以在采样过程中混到基带里面去，这就增加了滤波器的复杂程度。除了这些，还会存在一些额外因素，例如寄生震荡或者量化噪声等等。从1990年开始，科学家们就一直无法攻克这些难题，所以全集成连续时间滤波器就逐渐成了科学家们的新方向。
人们通常用两种标准对模拟滤波器进行分类。第一种是把电流的连续性作为标准，有采样数据以及连续时间。采样数据滤波器在低频以及高精度场合得到了广泛的应用。上世纪八十年代末，SI作为另外一种技术被提出，然后出现了进一步发展的Si，上个世纪90年代中旬又出现了低电压全差分SI滤波器。随着市场上便携式电子产品需求量的不断增加以及数字电路发展的制衡，这几年低电压成为集成电路的一个必需条件。但是，SI电路中的MOS管可能会因为低电压从而无法实现导通，直到现在科学家们都没有研究出一个切实可行的解决方案。所以Sc滤波器并没有相较于SI滤波器有多少技术落后。在采样数据滤波器的具体实践中，时钟馈通以及电荷注入是存在的最要紧的麻烦，它既难以被预测也难以被消除。而且这种影响会随着采样频率的提高而变得越来越明显。一般来说，SC以及SI滤波器只在低频用到。除了这些以外，SC和SI滤波器在具体应用时还要相对应的接口电路、平滑滤波器以及抗混叠滤波器，电路的动态范围可以在这些器件的影响下变小。
跨导放大器的GM是可以被外部调控的，所以他的调整十分简单应为它可以用外部电压来调控。跨导放大器的单片集成十分简便，这得益于他的电容以及跨导都可以与MOS工艺相兼容、采样数据滤波器容易受到时钟馈通的影响，因为他需要比通带大很多的时钟信号，所以相比较于CT滤波器，即连续时间滤波器，采样数据滤波器并不是太好。连续时间滤波器在这些年发展迅猛，让世界惊叹。在模拟信号处理这个领域，比如硬盘驱动器、视频信号处理、无线电通信以及电话等等，都运用的非常广泛。有源RC滤波器难以集成，但是自从有了MOSFET_C滤波器之后，这个问题就在原理上被破解了。MOSEFT_C滤波器是在SC滤波器之后的另外一类全集成系统。OTA_C滤波器工作时的频率高而且他的电路相对简单，可是MOSEFT_C滤波器由于受到运算放大器频率的限制工作频率比较低，寄生参数也不会对他产生明显的影响，所以它具有一定的劣势。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/1520.html
