有源濾波器與開關電容濾波器的性能比較
摘要： 對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據頻率濾波時，把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。針對本應用所要求的帶通濾波及放大，可以有多種方案，其中使用比較多的是由R、C及集成運放組成的有源帶通濾波器和開關電容濾波器。
Abstract：
Key words :
對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據頻率濾波時，把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。針對本應用所要求的帶通濾波及放大，可以有多種方案，其中使用比較多的是由R、C及集成運放組成的有源帶通濾波器和開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" title="開關電容濾波器">開關電容濾波器" 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1 帶通濾波器
帶通濾波器的主要性能參數有：
(1)中心頻率增益K0：輸入為中心頻率信號時的電壓放大倍數。
(2)中心頻率f0：它只與濾波用的電阻和電容元件的參數有關，是帶通濾波器通帶內電壓增益最大點的頻率。
(3)截止頻率fL和fH：輸出幅值為×輸入×中心頻率增益時所對應的頻率，帶通濾波器有兩個，分別為低頻截止頻率fL和高頻截止頻率fH。
(4)通帶寬度BW：高頻截止頻率fH與低頻截止頻率fL之差。
(5)品質因數Q；對帶通濾波器而言，Q值等于中心頻率f0與通帶寬度BW之比。
2 有源濾波器
有源濾波器是由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件)。缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器)的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。本實驗采用平常使用比較多的多路負反饋二階帶通濾波器，如圖1所示。
2．1 有源濾波器參數設計
其傳遞函數的一般形式為：
式中ω0：帶通濾波器中心角頻率，Q：品質因數，K0：ω=ω0時帶通濾波器的增益。設計中經常取C1=C2=C，則：
根據實際要求選擇每一級帶通濾波的參數為：f0=12Hz，GAIN=10，Q=6。然后再根據具體已有標稱的電阻、電容值選擇每一級帶通濾波的器件大小： R1=17．88K，R2=2．69K，R3=324K，C=0．494μF，經計算得到的理論值為f0=11．71Hz，GAIN=9．06，Q=5．9。
2．2 有源濾波器實驗及數據
圖2為測試電路，由該電路得到的實驗數據見表1。當輸入頻率在中心頻率附近變化時，輸出信號的相位變化比較明顯。
3 開關電容濾波器
開關電容濾波器是一種新型的大規(guī)模集成器件，其主要特點是用開關和電容來代替電路中的電阻．是數字電路和模擬電路的結合，可以將很多有源的RC濾波器轉換成開關電容濾波器。開關電容濾波器在使用方面的最大優(yōu)點是無需更換元件，只需改變時鐘頻率和編程引腳電平就可以在一定的范圍內改變?yōu)V波器的中心頻率和Q值，這給濾波器的設計、使用帶來很大方便。但是開關電容濾波器具有開關噪聲和時鐘噪聲。
3．1 開關電容濾波器原理
開關電容的一種結構如圖3所示，起開關作用的MOS管T1和T2是由時鐘信號φ和
來控制的，φ和反相的。當時鐘信號φ為高電平時，T1管導通，T2管截止，電容C與1—1’端接通，充電電荷為Q=CV1；當時鐘信號高電平時，T2管導通，T1管截止，電容C與2—2’接通，充電電荷為Q=CV2。若設電路的時鐘周期為TC，則在此時間內從1一1’端向2—2’端傳輸的電荷為△Q=Q1-Q2，由1一1’端流向2—2’端的平均電流為I=△Q／TC=C(V1-V2)／TC。
如果時鐘頻率fclk=1／TC比信號的頻率高得多，開關電容相當于一個電阻R，等效電阻值為R=(V1—V2)／I=TC／C=1／fclkC。
顯然，等效電阻的值與時鐘頻率和電容大小成反比。對于由RC構成的濾波器就只需將電阻用開關電容代替，就可以組成開關電容濾波器，則電路的時間常數τ=RC=C2／fclkC1。
上述表明龜路的頻響特性由時鐘頻率與電容比值決定，與電容的絕對值無關。開關電容濾波器實質上屬于調制或采樣系統(tǒng)，調制(采樣)頻率由分頻比決定。
3．2 開關電容濾波器實驗及數據
為了滿足放大倍數的要求，通過給開關電容濾波器芯片編程引腳特定的高低電平選擇Q=10.7，中心頻f0=12.14Hz，時鐘fclk=2.405k Hz，用兩片開關電容芯片級聯(lián)成四級得到的。圖4所示為一片開關電容濾波器實驗電路圖。實驗數據如表2所列。
4 結束語
通過對實驗數據的分析得出，帶通濾波器中Q值越高則通頻帶越窄，也就是說濾波器對頻率的選擇性就越好，對干擾信號的抑制能力也就越強，但并不是Q值越高電路越好越穩(wěn)定。若Q值取過大，當濾波器中心頻率變動時，有用信號通過濾波器時將產生較大的相位誤差和幅值誤差。因此在濾波器滿足濾波質量前提下，Q值盡可能小。
有源帶通濾波器的無輸入時輸出噪聲較小，輸出信號幅值較穩(wěn)定，但當Q較大時輸入信號頻率在中心頻率附近變化，輸出信號的相位變化較大。
開關電容濾波器可以很方便的改變中心頻率和Q值，但是受開關噪聲和時鐘噪聲影響，在沒有輸入信號的情況下，輸出有比較大的噪聲信號。
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