电路滤波器——(二)RC有源滤波器

RC有源滤波器

有源滤波器:

  • 优点:不使用电感,体积小;可放大信号且倍数易调节;可加入电压串联负反馈,是输入电阻高,输出电阻低,输入输出之间有良好的隔离。
  • 缺点:可靠性差;不宜用于高频;不宜在高电压、大电流下使用;需外接电源。

一阶低通有源滤波器 - VCVS压控电压源电路

一种同相输入,产生正向增益的低阶滤波器,通过负反馈网络形成一个增益可控的VCVS。从一阶VCVS说起:

电路滤波器——(二)RC有源滤波器_第1张图片

  • 输入电压先经过低通滤波器滤波,后输入至同相比例放大电路的同相端;

  • 同相比例放大电路由R1、Rf、放大器组成。同相比例放大器输入阻抗高,输出阻抗低,性能稳定,增益容易调节。
    传递函数 A ( s ) = V o ( s ) V i ( s ) = A ˙ u ⋅ A 0 = A 0 1 + j ω / ω n RC滤波器幅频函数 A u ˙ = U c ˙ U i ˙ = 1 1 + j ω R C 放大器增益 A 0 = R 1 + R f R 1 特征角频率 ω 0 = 1 R C 幅频响应 ∣ A ( j ω ) ∣ = A 0 1 + ( ω / ω 0 ) 2 \begin{aligned} &\text{传递函数}\qquad &&A(s)=\frac{V_o(s)}{V_i(s)}=\dot{A}_u\cdot A_0=\frac{A_0}{1+j\omega/\omega_n}\\ &\text{RC滤波器幅频函数}\qquad &&\dot{A_u}=\frac{\dot{U_c}}{\dot{U_i}}=\frac{1}{1+j\omega RC}\\ &\text{放大器增益}\qquad &&A_0=\frac{R_1+R_f}{R_1}\\ &\text{特征角频率}\qquad &&\omega_0=\frac{1}{RC}\\ &\text{幅频响应}\qquad &&|A(j\omega)|=\frac{A_0}{\sqrt{1+(\omega/\omega_0)^2}} \end{aligned} 传递函数RC滤波器幅频函数放大器增益特征角频率幅频响应A(s)=Vi(s)Vo(s)=A˙uA0=1+jω/ωnA0Au˙=Ui˙Uc˙=1+jωRC1A0=R1R1+Rfω0=RC1A(jω)=1+(ω/ω0)2 A0

一阶高通有源滤波器

将低通滤波器的前置低通RC电路替换为高通。
传递函数 A ( s ) = 1 1 + ω n / s \text{传递函数}\qquad A(s)=\frac{1}{1+\omega_n/s} 传递函数A(s)=1+ωn/s1

二阶有源滤波器

电路滤波器——(二)RC有源滤波器_第2张图片

  • 对于低通,Y1、Y2为电阻R1、R2;Y3、Y4为电容C1、C2(公式推导以低通为例)。

  • 二阶有源滤波在转折频率处性能不佳,因此引入一定正反馈Y3可改善。

  • R3、R4、放大器组成同相比例放大器。
    传递函数 A ( s ) = V o ( s ) V i ( s ) = U 2 ( s ) U 1 ( s ) = U b ( s ) U 1 ( s ) ⋅ U 2 ( s ) U b ( s ) = A ˙ u ⋅ A 0 = A 0 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 + ( 1 − A 0 ) Y 2 Y 3 + Y 2 Y 4 + Y 1 Y 2 + Y 1 Y 4 = A 0 R 1 R 2 C 1 C 2 s 2 + [ R 2 C 2 + R 1 C 2 + R 1 C 1 ( 1 − A ) ] s + 1 = A ω 0 2 s 2 + ω 0 / Q ⋅ s + ω 0 2 \begin{aligned} \text{传递函数}\qquad A(s)=\frac{V_o(s)}{V_i(s)}&=\frac{U_2(s)}{U_1(s)}=\frac{U_b(s)}{U_1(s)}\cdot\frac{U_2(s)}{U_b(s)}\\&=\dot{A}_u\cdot A_0\\ &=\frac{A_0Y_1Y_2}{Y_3Y_4+(1-A_0)Y_2Y_3+Y_2Y_4+Y_1Y_2+Y_1Y_4}\\ &=\frac{A_0}{R_1R_2C_1C_2s^2+[R_2C_2+R_1C_2+R_1C_1(1-A)]s+1}\\ &=\frac{A_{\omega_0}^2}{s^2+\omega_0/Q\cdot s+{\omega_0}^2} \end{aligned} 传递函数A(s)=Vi(s)Vo(s)=U1(s)U2(s)=U1(s)Ub(s)Ub(s)U2(s)=A˙uA0=Y3Y4+(1A0)Y2Y3+Y2Y4+Y1Y2+Y1Y4A0Y1Y2=R1R2C1C2s2+[R2C2+R1C2+R1C1(1A)]s+1A0=s2+ω0/Qs+ω02Aω02

    a,b处KCL方程 { U 1 − U a Y 1 − U a − U b Y 2 = U a − U 2 Y 3 U a ( s ) ⋅ Y 4 Y 2 + Y 4 = U b ( s ) \text{a,b处KCL方程} \qquad \begin{aligned} &\begin{cases} \frac{U_1-U_a}{Y_1}-\frac{U_a-U_b}{Y_2}=\frac{U_a-U_2}{Y_3} \\ U_a(s)\cdot\frac{Y_4}{Y_2+Y_4}=U_b(s) \end{cases} \end{aligned} a,bKCL方程{Y1U1UaY2UaUb=Y3UaU2Ua(s)Y2+Y4Y4=Ub(s)

    放大器增益 A 0 = U 2 ( s ) U b ( s ) = R 3 + R 4 R 3 特征角频率 ω 0 2 = 1 R 1 R 2 C 1 C 2 品质因数 Q = 1 3 − A 0 相频响应 φ ( ω ) = − a r c t g ω / ( ω 0 Q ) 1 − ( ω / ω 0 ) 2 \begin{aligned} &\text{放大器增益}\qquad &&A_0=\frac{U_2(s)}{U_b(s)}=\frac{R_3+R_4}{R_3}\\ &\text{特征角频率}\qquad &&{\omega_0}^2=\frac{1}{R_1R_2C_1C_2}\\ &\text{品质因数}\qquad &&Q=\frac{1}{3-A_0}\\ &\text{相频响应}\qquad &&\varphi(\omega)=-arctg\frac{\omega/(\omega_0Q)}{1-(\omega/\omega_0)^2} \end{aligned} 放大器增益特征角频率品质因数相频响应A0=Ub(s)U2(s)=R3R3+R4ω02=R1R2C1C21Q=3A01φ(ω)=arctg1(ω/ω0)2ω/(ω0Q)

  • A 0 < 3 A_0<3 A0<3 时,滤波电路才能稳定工作, A 0 ≧ 3 A_0\geqq 3 A03时,滤波器自激

电路滤波器——(二)RC有源滤波器_第3张图片

总结

电路滤波器——(二)RC有源滤波器_第4张图片

参考文献:

  • 牛燕炜. 有源低通滤波器的设计与仿真分析[J]. 现代电子技术, No.251(12):181-183.
  • 王龙, 贾瑞皋, 陈洪海. VCVS有源滤波器的设计及Matlab辅助仿真分析[J]. 测井技术, 2005(06):95-99.
  • 滤波器基本概念分类 - https://mbb.eet-china.com/forum/topic/75523_1_1.html
  • 低通、高通、带通、带阻、状态可调滤波器 - https://mbb.eet-china.com/forum/topic/76881_1_1.html

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