一種寬頻帶有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

1 引言

有源RC濾波器隨著運(yùn)算放大器的發(fā)展,應(yīng)用很廣泛,它與LC濾波器相比,有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)截止頻率或中心頻率較低時(shí),體積小、成本低;

2)改變RC數(shù)值,可方便地改變截止頻率或中心頻率,精度可達(dá)0.5%;

3)無(wú)需進(jìn)行阻抗匹配,并可獲得一定的增益;

4)不易受電磁干擾,受機(jī)械振動(dòng)、溫度、濕度以及化學(xué)環(huán)境影響小;

5)設(shè)計(jì)、計(jì)算、調(diào)試相對(duì)方便。

有源濾波器由于體積小、無(wú)需阻抗匹配等原因,廣泛用于低頻段的濾波。要濾除頻率達(dá)到幾百赫茲的信號(hào),一般采用無(wú)源濾波器。筆者要求設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率接近180kHz的帶通濾波器,而且在布板上受到空間的限制,濾波器的體積不能太大。如果采用需要線(xiàn)圈的無(wú)源濾波器,則可能占用較大的空間,所以決定采用有源方式實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

2 濾波器的設(shè)計(jì)

要求設(shè)計(jì)中心頻率為177kHz且?guī)?nèi)波動(dòng)較小的帶通濾波器,其具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示：

?中心頻率：177kHz

?通帶頻率：152kHz～202kHz

?通帶帶寬：50kHz

?阻帶帶寬：100kHz

?帶內(nèi)波動(dòng)：不大于1dB

?帶外衰減：25dB

如果設(shè)計(jì)無(wú)源帶通濾波器,濾波器的階數(shù)每增加一階,則需要多使用一個(gè)電感,而且電感的制作非常復(fù)雜,很難得到希望的精確的電感值。而如果采用無(wú)源方式設(shè)計(jì)帶通濾波器,則只需要用到電容和電阻,而電容值和電阻值的匹配相對(duì)較容易,最重要的是無(wú)源濾波器占用的空間較小,因此在空間有限的條件下,采用制作方便的有源濾波器更合理。

從設(shè)計(jì)指標(biāo)中可以看出,要求帶通濾波器的中心頻率較高,帶內(nèi)波動(dòng)較小。為了使濾波器達(dá)到要求的中心頻率,在選擇放大器的時(shí)候,注意采用高頻放大器。要求的通帶頻率較寬,這里可以采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

帶通濾波器的設(shè)計(jì)可以有兩種方法。一種是設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器組合成帶通濾波器,另一種是由多級(jí)二階帶通濾波器構(gòu)成多階帶通濾波器。軟件仿真發(fā)現(xiàn),如果采用第一種方法,那么達(dá)到要求的設(shè)計(jì)指標(biāo),則需要設(shè)計(jì)一個(gè)8階的切比雪夫低通濾波器和一個(gè)7階的切比雪夫高通濾波器,或設(shè)計(jì)一個(gè)20階的巴特沃斯高通濾波器和20階以上的巴特沃斯低通濾波器,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上稍顯復(fù)雜,因而決定采用第二種方法,軟件仿真發(fā)現(xiàn),由四級(jí)二階多重反饋環(huán)型帶通濾波器構(gòu)成的8階切比雪夫帶通濾波器可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

構(gòu)成8階帶通濾波器的每個(gè)二階單元都是一個(gè)相對(duì)較窄的帶通濾波器,只是每個(gè)二階單元的中心頻率和頻譜特性有所不同。通過(guò)將四個(gè)二階帶通濾波器的頻譜特性相疊加,便得到了如圖1虛線(xiàn)所示的8階帶通濾波器的頻譜特性。二階單元采用如下所示的多重反饋帶通濾波器結(jié)構(gòu),多重反饋帶通濾波器具有輸出阻抗小,多級(jí)串聯(lián)不需要隔離級(jí)等特點(diǎn),適合用于該帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

這里根據(jù)所設(shè)參數(shù)和選定的電路結(jié)構(gòu),通過(guò)軟件仿真得到各級(jí)二階單元的多組電容和電阻值。表1列出了本文設(shè)計(jì)濾波器的一些參數(shù)值,如表1所示。

表1 二階單元參數(shù)表

圖3 各級(jí)二階單元的幅頻特性

根據(jù)所選定的電路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的電容電阻值,通過(guò)軟件對(duì)各個(gè)二階單元的幅頻特性及四個(gè)二階單元合成的總幅頻特性進(jìn)行了仿真,分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出,單個(gè)二階單元的具有各自不同的中心頻率、Q值和增益,雖然每個(gè)二階單元的幅頻特性都不符合帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo),但是由它們相疊加而成的幅頻特性則達(dá)到了要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4 八階帶通濾波器的總幅頻特性

3 實(shí)測(cè)中遇到的問(wèn)題及解決方案

由于該帶通濾波器的上邊帶3dB截止頻率達(dá)到202kHz,因此在選擇運(yùn)算放大器時(shí),要求放大器的上限工作頻率至少要高于300kHz。這是因?yàn)橛性礊V波器由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成,因而具有一定的電壓放大和緩沖作用,但同時(shí)也受到集成運(yùn)算放大器帶寬的限制。當(dāng)中心頻率和截止頻率較高時(shí),如果運(yùn)算放大器的帶寬和轉(zhuǎn)換速率不夠高,就會(huì)造成嚴(yán)重的波形失真和Q值下降。由于要求的中心頻率較高,因此在選擇放大器時(shí)應(yīng)該選擇增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率較高的放大器。放大器的頻率上限由所選運(yùn)算放大器的增益帶寬積(GBP)和轉(zhuǎn)換速率(SR)決定。對(duì)于GBP=30MHz的放大器,設(shè)計(jì)增益為1000倍(60dB)時(shí),則頻率上限為30kHz。而大振幅下影響振幅頻率特性因素的是轉(zhuǎn)換速率,SR與輸出頻率上限的關(guān)系為：

例如,如果想在200kHz以?xún)?nèi)得到10Vo-p的正弦波,則要求運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率大于12.6V/μ s。在選用放大器時(shí),考慮到本身有源濾波器的噪聲就較大,因此決定采用高頻低噪聲放大器。這里對(duì)兩款常用的低噪聲放大器OP227和AD797進(jìn)行了對(duì)比。查看OP227的數(shù)據(jù)手冊(cè)發(fā)現(xiàn),其GBP為8MHz,而SR僅為2.3V/μ s,轉(zhuǎn)換速率較低。根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo),決定選用AD797。AD797的GBP高達(dá)110MHz,SR為20V/μ s。

經(jīng)過(guò)測(cè)試,由AD797形成的8階帶通濾波器的3dB截止頻率分別為147kHz和206.4kHz,10dB截止頻率為138kHz和221.1kHz,帶內(nèi)波動(dòng)小于1dB?？傮w來(lái)說(shuō),達(dá)到了所要求的帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)。

而如果選用OP227來(lái)制作8階有源帶通濾波器,測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),濾波器的上限截止頻率達(dá)不到202kHz,且?guī)?nèi)波動(dòng)較大。將圖2所示的二階單元中的電容去掉(即去掉C2、R3支路,C1短路),OP227連接為放大10倍的反相放大器。將100mVp-p的信號(hào)輸入該放大器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入信號(hào)頻率分別為300kHz、400kHz時(shí),輸出信號(hào)比實(shí)際應(yīng)該得到的信號(hào)分別出現(xiàn)了不同程度的衰減。因此造成濾波器達(dá)不到上限截止頻率的原因是OP227的上限頻率不夠高,即增益帶寬積或轉(zhuǎn)換速率不夠高,因而導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生失真。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)中心頻率為177kHz、帶內(nèi)波動(dòng)小于1dB的8階有源帶通濾波器的實(shí)用設(shè)計(jì)。由于頻率較高,因此在選擇運(yùn)算放大器時(shí)需要選擇增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率較高的芯片。本文采用GBP高達(dá)110MHz、SR為20V/μ s的低噪聲芯片AD797來(lái)制作所要求的濾波器,經(jīng)過(guò)測(cè)試,濾波器各項(xiàng)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。

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