一种宽频带有源带通滤波器的设计与实现＊

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

1 引言

有源RC滤波器随着运算放大器的发展,应用很广泛,它与LC滤波器相比,有以下优点：

1)截止频率或中心频率较低时,体积小、成本低;

2)改变RC数值,可方便地改变截止频率或中心频率,精度可达0.5%;

3)无需进行阻抗匹配,并可获得一定的增益;

4)不易受电磁干扰,受机械振动、温度、湿度以及化学环境影响小;

5)设计、计算、调试相对方便。

有源滤波器由于体积小、无需阻抗匹配等原因,广泛用于低频段的滤波。要滤除频率达到几百赫兹的信号,一般采用无源滤波器。笔者要求设计一个中心频率接近180kHz的带通滤波器,而且在布板上受到空间的限制,滤波器的体积不能太大。如果采用需要线圈的无源滤波器,则可能占用较大的空间,所以决定采用有源方式实现带通滤波器的设计。

2 滤波器的设计

要求设计中心频率为177kHz且带内波动较小的带通滤波器,其具体设计指标如下所示：

◦中心频率：177kHz

◦通带频率：152kHz～202kHz

◦通带带宽：50kHz

◦阻带带宽：100kHz

◦带内波动：不大于1dB

◦带外衰减：25dB

如果设计无源带通滤波器,滤波器的阶数每增加一阶,则需要多使用一个电感,而且电感的制作非常复杂,很难得到希望的精确的电感值。而如果采用无源方式设计带通滤波器,则只需要用到电容和电阻,而电容值和电阻值的匹配相对较容易,最重要的是无源滤波器占用的空间较小,因此在空间有限的条件下,采用制作方便的有源滤波器更合理。

从设计指标中可以看出,要求带通滤波器的中心频率较高,带内波动较小。为了使滤波器达到要求的中心频率,在选择放大器的时候,注意采用高频放大器。要求的通带频率较宽,这里可以采用多级级联的方式来实现。

带通滤波器的设计可以有两种方法。一种是设计一个高通滤波器和一个低通滤波器组合成带通滤波器,另一种是由多级二阶带通滤波器构成多阶带通滤波器。软件仿真发现,如果采用第一种方法,那么达到要求的设计指标,则需要设计一个8阶的切比雪夫低通滤波器和一个7阶的切比雪夫高通滤波器,或设计一个20阶的巴特沃斯高通滤波器和20阶以上的巴特沃斯低通滤波器,设计和实现上稍显复杂,因而决定采用第二种方法,软件仿真发现,由四级二阶多重反馈环型带通滤波器构成的8阶切比雪夫带通滤波器可以达到设计指标。

构成8阶带通滤波器的每个二阶单元都是一个相对较窄的带通滤波器,只是每个二阶单元的中心频率和频谱特性有所不同。通过将四个二阶带通滤波器的频谱特性相叠加,便得到了如图1虚线所示的8阶带通滤波器的频谱特性。二阶单元采用如下所示的多重反馈带通滤波器结构,多重反馈带通滤波器具有输出阻抗小,多级串联不需要隔离级等特点,适合用于该带通滤波器的设计。

这里根据所设参数和选定的电路结构,通过软件仿真得到各级二阶单元的多组电容和电阻值。表1列出了本文设计滤波器的一些参数值,如表1所示。

表1 二阶单元参数表

图3 各级二阶单元的幅频特性

根据所选定的电路结构及相应的电容电阻值,通过软件对各个二阶单元的幅频特性及四个二阶单元合成的总幅频特性进行了仿真,分别如图3和图4所示。

从图3和图4中可以看出,单个二阶单元的具有各自不同的中心频率、Q值和增益,虽然每个二阶单元的幅频特性都不符合带通滤波器的设计指标,但是由它们相叠加而成的幅频特性则达到了要求的设计指标。

图4 八阶带通滤波器的总幅频特性

3 实测中遇到的问题及解决方案

由于该带通滤波器的上边带3dB截止频率达到202kHz,因此在选择运算放大器时,要求放大器的上限工作频率至少要高于300kHz。这是因为有源滤波器由集成运算放大器构成,因而具有一定的电压放大和缓冲作用,但同时也受到集成运算放大器带宽的限制。当中心频率和截止频率较高时,如果运算放大器的带宽和转换速率不够高,就会造成严重的波形失真和Q值下降。由于要求的中心频率较高,因此在选择放大器时应该选择增益带宽积和转换速率较高的放大器。放大器的频率上限由所选运算放大器的增益带宽积(GBP)和转换速率(SR)决定。对于GBP=30MHz的放大器,设计增益为1000倍(60dB)时,则频率上限为30kHz。而大振幅下影响振幅频率特性因素的是转换速率,SR与输出频率上限的关系为：

例如,如果想在200kHz以内得到10Vo-p的正弦波,则要求运算放大器的转换速率大于12.6V/μ s。在选用放大器时,考虑到本身有源滤波器的噪声就较大,因此决定采用高频低噪声放大器。这里对两款常用的低噪声放大器OP227和AD797进行了对比。查看OP227的数据手册发现,其GBP为8MHz,而SR仅为2.3V/μ s,转换速率较低。根据滤波器的设计指标,决定选用AD797。AD797的GBP高达110MHz,SR为20V/μ s。

经过测试,由AD797形成的8阶带通滤波器的3dB截止频率分别为147kHz和206.4kHz,10dB截止频率为138kHz和221.1kHz,带内波动小于1dB。总体来说,达到了所要求的带通滤波器设计指标。

而如果选用OP227来制作8阶有源带通滤波器,测试时发现,滤波器的上限截止频率达不到202kHz,且带内波动较大。将图2所示的二阶单元中的电容去掉(即去掉C2、R3支路,C1短路),OP227连接为放大10倍的反相放大器。将100mVp-p的信号输入该放大器,发现当输入信号频率分别为300kHz、400kHz时,输出信号比实际应该得到的信号分别出现了不同程度的衰减。因此造成滤波器达不到上限截止频率的原因是OP227的上限频率不够高,即增益带宽积或转换速率不够高,因而导致信号产生失真。

4 结语

本文介绍了一个中心频率为177kHz、带内波动小于1dB的8阶有源带通滤波器的实用设计。由于频率较高,因此在选择运算放大器时需要选择增益带宽积和转换速率较高的芯片。本文采用GBP高达110MHz、SR为20V/μ s的低噪声芯片AD797来制作所要求的滤波器,经过测试,滤波器各项指标完全符合设计要求。

[1]李远文,等.有源滤波器设计[M].北京：人民邮电出版社,1986

[2]于春香.MAX274有源滤波器的设计应用[J].集成电路通讯,2007,25(2)：12～15

[3]AD797.产品数据手册

[4]OP227.产品数据手册

[5]郭农斐,袁放成.四阶RC有源带通滤波器的设计[J].泉州师范学报,2007,25(4)：35～37

[6]姚福安,徐衍亮.高性能多阶有源带通滤波器设计[J].电子测量与仪器学报,2005,19(2)：20～25

[7]席静芳.有源滤波器的设计[J].上海第二工业大学学报,2005,22(4)：27～32

[8]酆毅.有源滤波器的设计[J].仪表技术,2001(4)：35～36