帶通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（一）

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中對所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真分析和測試的方法。測試結(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，同時(shí)對其余頻率的信號進(jìn)行有效抑制的電路。由于它對信號具有選擇性，故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中。但是，帶通濾波器的種類繁多，各個(gè)類型的設(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)勢也將越來越明顯。

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，F(xiàn)ilterPro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，對于設(shè)計(jì)階數(shù)相對高一些的帶通濾波器的話，可以選用TI的四運(yùn)放LM324，其性能與LM358大體相同，應(yīng)用起來節(jié)省空間。對于運(yùn)放的要求此設(shè)計(jì)不是特別高，只要運(yùn)放的頻率滿足低通的截止頻率即可，如果精確度要求高的話那么首先運(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，如果對于過渡帶要求稍高，可以增加階數(shù)來實(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：

對于低通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取1000pF，對于高通濾波器的設(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

帶通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（二）

由圖（1）所示帶通濾波電路的幅頻響應(yīng)與高通、低通濾波電路的幅頻響應(yīng)進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)低通與高通濾波電路相串聯(lián)如圖（2），可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波電路的截止角頻率WH大于高通電路的截止角頻率WL，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。

這是一個(gè)通帶頻率范圍為100HZ-10KHZ的帶通濾波電路，在通帶內(nèi)我們設(shè)計(jì)為單位增益。根據(jù)題意，在頻率低端f=10HZ時(shí)，幅頻響應(yīng)至少衰減26dB。在頻率高端f=100KHZ時(shí)，幅頻響應(yīng)要求衰減不小于16dB。因此可以選擇一個(gè)二階高通濾波電路的截止頻率fH=10KHZ，一個(gè)二階低通濾波電路的fL=100HZ，有源器件仍選擇運(yùn)放LF142，將這兩個(gè)濾波電路串聯(lián)如圖所示，就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。

由巴特沃斯低通、高通電路階數(shù)n與增益的關(guān)系知Avf1=1.586，因此，由兩級串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電壓增益（Avf1）2=（1.586）2=2.515，由于所需要的通帶增益為0dB，因此在低通濾波器輸入部分加了一個(gè)由電阻R1、R2組成的分壓器。

元件參數(shù)的選擇和計(jì)算

在選用元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮元件參數(shù)誤差對傳遞函數(shù)帶來的影響?，F(xiàn)規(guī)定選擇電阻值的容差為1%，電容值的容差為5%。由于每一電路包含若干電阻器和兩個(gè)電容器，預(yù)計(jì)實(shí)際截止頻率可能存在較大的誤差（也許是+10%）。為確保在100Hz和10kHz處的衰減不大于3dB.現(xiàn)以額定截止頻率90Hz和1kHz進(jìn)行設(shè)計(jì)。

前已指出，在運(yùn)放電路中的電阻不宜選擇過大或較小。一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級電路的電容值為1000pF，高通級電路的電容值為0.1μF，然后由式RCWC1?可計(jì)算出精確的電阻值。

對于低通級由于已知c=1000pF和fh=11kHz，由式RCWC1?算得R3=14.47kΩ，先選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值R3=14.0kΩ。對于高通級可做同樣的計(jì)算。由于已知C=0.1μF和fL=90Hz，可求出R7=R8≈18kΩ。

考慮到已知Avf1=1.586，同時(shí)盡量要使運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端對地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇R5=68k，R10=82k，由此可算出R4=（Avf1-1）R5≈39.8k，R9=（Avf1-1）R10≈48k，其容差為1％。

設(shè)計(jì)完成的電路如圖所示。信號源vI通過R1和R2進(jìn)行衰減，它的戴維寧電阻是R1和R2的并聯(lián)值，這個(gè)電阻應(yīng)當(dāng)?shù)扔诘屯夒娮鑂3（=14k）。因此，有????

由于整個(gè)濾波電路通帶增益是電壓分壓器比值和濾波器部分增益的乘積，且應(yīng)等于單位增益，

聯(lián)解式和，并選擇容差為1％的額定電阻值，得R1=35.7kΩ和R2=23.2kΩ。

帶通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（三）

實(shí)用的帶通濾波器電路原理圖

該電路在負(fù)反饋支路上是一個(gè)帶阻濾波齊器，以使其只允許通過被反饋支路阻斷的頻率信號。