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开关电容滤波器

   日期:2020-04-10     浏览:20    

  在实际的电子系统中,输入信号往往包含一些不需要的信号成份。必须设法将它衰减到足够小的程度,或者把有用信号挑选出来,为此,可采用滤波器。

  以往模拟滤波器主要采用无源R、L和C组成。60年代以来,集成运放得到了迅速的发展,由它和R、C组成的有源滤波电路,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外,由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又很低,构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是,集成运放的带宽有限,所以有源滤波器的最高工作频率受运放的限制,这是它的不足之处。

  通常用幅频响应来表征一个滤波器的特性,欲使信号通过滤波器的失真很小,则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应j(w)作线性变化,即时延响应为常数时,输出信号才可能避免相位失真。

  通常把能够通过的信号频率范围定义为通带,而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。

  为增益的幅值。由图可知,它的功能是使从零到某一截止角频率的wH的低频信号通过,而对于大于wH的所有频率则完全衰减,其带宽BW=wH。

  高通滤波电路的幅频响应曲线wwL范围内的频率为阻带,高于wL的频率为通带。理论上,它的带宽BW=¥,但实际上,由于受有源器件带宽的限制,高通滤波电路的带宽也是有限的。

  带通滤波电路的幅频响应曲线中,wL为低边截止角频率,wH为高边截止角频率,wO为中心角频率。它有两个阻带:0wwL和wwH,因此带宽BW=wH–wL。

  带阻滤波电路的幅频响应曲线wwH及wwL,和一个阻带:wHwwL。因此它的功能是衰减wL到wH间的信号。同高通滤波电路相似,由于受有源器件带宽的限制,通带wwL也是有限的。

  如果在一阶RC低通电路的输出端,再加上一个电压跟随器,使之与负载很好隔离开来,就构成一个简单的一阶有源RC低通滤波电路,如图1动画所示,由于电压跟随器的输入阻抗很高,输出阻抗很低,因此,其带负载能力很强。

  如果希望电路不仅有滤波功能,而且能起放大作用,则只要将电路中的电压跟随器改为同相比例放大电路即可。下面介绍它的性能。

  从图2所示幅频响应来看,一阶滤波器的效果还不够好,它的衰减率只是20dB/十倍频。若要求响应曲线dB/十倍频的斜率变化,则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成。因此下面重点研究二阶有源滤波器的组成和特性。

  上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中wn为特征角频率,而Q则称为等效品质因数。上式表明,AO=AVF3,才能稳定工作。当AO=AVF≥3,A(s)将有极点处于右半s平面或虚轴上,电路将自激振荡。

  由图可见,当Q=0.707时,幅频响应较平坦,而当Q0.707时,将出现峰值,当Q=0.707和

  由于二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶关系,它们的传递函数也如此。将二阶低通滤波电路的传递函数表达式中的sRC用

  由图可见,二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶(镜像)关系。如以w=wn为对称轴,二阶高通滤波电路的

  带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较,可以看出低通与高通滤波电路相串联可以构成带通滤波电路,条件是低通滤波电路的截止角频率wH大于高通滤波电路的截止角频率wL,两者覆盖的通带就提供了一个通带响应。

  图2为二阶压控电压源带通滤波电路。为了计算简便,设R3=2R,R2=R,由电路图可得到下面方程组


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