基于运算放大器的有源滤波器电路仿真研究

张 科 蒲 娟

（1.成都航空职业技术学院，四川 成都 610100；2.遂宁市第一中学，四川 遂宁 629000）

1 引言

运算放大器[1]（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在[3]。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

目前在环保行业等很多领域当中，我们需要用传感器来采集信号，这些微弱的信号经过放大以后送到后级电路中进行处理，在这个过程中会引入各种因素串进来有用频段以外的噪声，为了使后级电路能更准确的处理信号并作出判断，我们需要在电路中引入滤波器来保证信号的“干净”，把无用的信号挡在“门外”。而使用集成运算放大器为核心所组成的滤波器是一种低成本并且效果不错的方案。

文章采用国家仪器出品的仿真软件multisim 12 对采用OP275芯片所设计的滤波器电路进行了仿真，并作了相应的分析，这可以极大地提高电路设计的效率[2,4]，方便设计出性能更为可靠的精密复杂电路。

2 电路设计与仿真分析

2.1 用OP275设计的低通滤波器

在Multisim 12中画出如图1所示的用OP275所设计的截止频率为2.75kHZ的低通滤波器电路。

图1 OP275低通滤波器设计电路

在Multisim 12中画出如图1所示的用OP275所设计的低通滤波器电路，电源采用正负12V电源,所设计的滤波器的截止频率为2.75Khz，输入信号为峰值为5V，频率为5kHZ，启动电路仿真开关进行电路仿真测量，通过示波器来观察一下输出结果：

图2 OP275低通滤波器设计电路使用泰克示波器仿真测试结果

从上面的仿真结果作者可以看出来，输入激励源的信号为5kHZ，大于作者所设计的截止频率2.75khz，信号出现了明显的衰减，在泰克示波器上看到的值为1.65V的峰峰值，这个值说明带外信号通过低通滤波器时得到了很好的抑制，达到了设计的要求。再来分析观察一下波特图的仿真结果：

图3 OP275低通滤波器设计电路波特图示仪仿真测试结果

在图3的波特图中，作者选择了幅频特性的关系来仿真，启动电路仿真开关进行电路仿真测量，从仿真的数据作者可以看到，在4.905KHZ的时候，OP275对信号的衰减达到了-15.094db。下面的表格是在不同频率下用OP275对信号的衰减：

表1 用OP275所设计的2.75KHZ的低通滤波器在波特图示仪中的仿真测试结果

从表1中的数据作者看到，当频率低于2.75KHZ的时候，OP275所设计的低通滤波器对信号几乎没有衰减，比如在101.67HZ的时候，对信号的衰减只有0.001DB；当信号频率小于2.75KHZ的时候，电路的对信号的衰减在-6DB的通频带内，对信号的衰减很小，跟作者设计的理论值非常的接近。而当信号的频率大于2.75KHZ的时候，在通频带外的衰减就非常大了，比如信号在159.015KHZ的时候，带外的衰减达到了最大值-71.304DB。作者还观察到当信号频率大于16.991MHZ的时候，信号会产生31.117DB的衰减，这个衰减值比最大衰减值有所回升，这是因为实际的运算放大器会受到器件最大工作频率的限制。

2.2 用OP275设计的高通滤波器

在Multisim12中画出如图4所示的用OP275所设计的160HZ的高通滤波器电路。

图4 OP275高通滤波器设计电路

在Multisim12中画出如图4所示的用OP275所设计的高通滤波器电路，电源采用正负12V电源,所设计的滤波器的截止频率为160HZ，输入信号为峰值为5V，频率为1kHZ，启动电路仿真开关进行电路仿真测量，作者通过示波器来观察一下输出结果：

图5 OP275高通滤波器设计电路使用泰克示波器仿真测试结果

从上面的仿真结果作者可以看出来，因为输入激励源的信号为1kHZ，大于作者的截止频率160HZ,所以当激励信号通过所设计的160HZ的高通滤波器的时候，信号有一定的衰减，从10V PK-PK下降到9.74 PK-PK。这个数值在理论范围之内，作者再来分析观察一下波特图的仿真结果：

图6 OP275高通滤波器设计电路波特图示仪仿真测试结果

在图6波特图中，作者选择了幅频特性的关系来仿真，启动电路仿真开关进行电路仿真测量，从仿真的数据作者可以看到，在167.117HZ的时候，OP275对信号的衰减达到了-5.611db，这跟作者理论值设计值非常的接近（160HZ,衰减-6db），下面的表格2是在不同频率下用OP275对信号的衰减：

表2 用OP275所设计的160HZ的高通滤波器在波特图示仪中的仿真测试结果

从表2中的数据作者看到，当频率低于160HZ的时候，OP275所设计的高通滤波器对信号的衰减很大，比如在50.703HZ的时候，对频率的衰减达到了-20.711DB；当信号频率大于160HZ而小于22.894MHZ的时候，电路的对信号的衰减在-6DB的通频带内，对信号的衰减很小，跟作者设计的理论值非常的接近，比如信号在10.864KHZ的时候，通频带内的衰减只有-0.015DB，而且作者也在波特图示仪的仿真测试结果中看到，用OP275所设计的电路在通频带内是非常平坦的，接近理想值。笔者还观察到当信号频率大于22.894MHZ的时候，信号会产生很大的衰减，并更大的频率上保持相对稳定的衰减。这是因为实际器件有一个最大工作频率，当大于这个工作频率的时候器件的电路参数就会失效。从这个仿真结果上看，OP275的实际带宽达到了22MHZ的水平，已经是一款非常优秀的器件了。

2.3 用OP275设计的带通滤波器

带通滤波器的设计只需要将前面设计的高通滤波器的输出接到低通滤波器的输入端就可以组成一个带通滤波器。经过Multisim12仿真可以得到如下的滤波器数据：

表3 OP275所设计的带宽为160HZ-2.75KHZ的带通滤波器在波特图示仪中的仿真测试结果

从表3的数据上可以看到在设计通带内信号衰减在6DB以内，满足设计要求。

3 结论

文章用OP275芯片设计了低通，高通，带通滤波器电路，并且用国家仪器公司出品的Multisim 12软件[5]进行了电路的仿真。随着现在电子产品[6]越来越多，运算放大器的应用也越来越广泛，用运算放大器设计的滤波器有助于提高电路的信噪比，而且成本低廉，用较低的代价换来电路性能较大的提高，这为运算放大器在环保设备，新能源设备，音频播放器设备的应用开辟了广阔的市场。

[1] 江涛,陈骥.医用生物电信号放大器的设计与应用[J].检验医学与临床,2010,7(4):356, 363.

[2] 张科.一种基于LDO带隙基准电压源的设计与实现[J].成都:西南交通大学,2006.

[3] 梁廷贵,周浩淼.集成运放线性应用电路分析方法的研究[J].唐山学院学报,2009,22(6):86-89, 93.

[4] 张科,冯全源.一种带软启动电路的带隙基准电压源的实现[J].微电子学与计算机,2006,23(12):179-181.

[5] 曾伟.基于 Multisim10的集成运算放大器[J].电子与封装,2011.12.

[6] 李哲英,骆丽,李金平.模拟电子线路分析与Multisim仿真[M].北京:机械工业出版社,2008.