一種寬頻帶有源帶通濾波器的設計與實現＊

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

1 引言

有源RC濾波器隨著運算放大器的發展,應用很廣泛,它與LC濾波器相比,有以下優點：

1)截止頻率或中心頻率較低時,體積小、成本低;

2)改變RC數值,可方便地改變截止頻率或中心頻率,精度可達0.5%;

3)無需進行阻抗匹配,并可獲得一定的增益;

4)不易受電磁干擾,受機械振動、溫度、濕度以及化學環境影響小;

5)設計、計算、調試相對方便。

有源濾波器由于體積小、無需阻抗匹配等原因,廣泛用于低頻段的濾波。要濾除頻率達到幾百赫茲的信號,一般采用無源濾波器。筆者要求設計一個中心頻率接近180kHz的帶通濾波器,而且在布板上受到空間的限制,濾波器的體積不能太大。如果采用需要線圈的無源濾波器,則可能占用較大的空間,所以決定采用有源方式實現帶通濾波器的設計。

2 濾波器的設計

要求設計中心頻率為177kHz且帶內波動較小的帶通濾波器,其具體設計指標如下所示：

?中心頻率：177kHz

?通帶頻率：152kHz～202kHz

?通帶帶寬：50kHz

?阻帶帶寬：100kHz

?帶內波動：不大于1dB

?帶外衰減：25dB

如果設計無源帶通濾波器,濾波器的階數每增加一階,則需要多使用一個電感,而且電感的制作非常復雜,很難得到希望的精確的電感值。而如果采用無源方式設計帶通濾波器,則只需要用到電容和電阻,而電容值和電阻值的匹配相對較容易,最重要的是無源濾波器占用的空間較小,因此在空間有限的條件下,采用制作方便的有源濾波器更合理。

從設計指標中可以看出,要求帶通濾波器的中心頻率較高,帶內波動較小。為了使濾波器達到要求的中心頻率,在選擇放大器的時候,注意采用高頻放大器。要求的通帶頻率較寬,這里可以采用多級級聯的方式來實現。

帶通濾波器的設計可以有兩種方法。一種是設計一個高通濾波器和一個低通濾波器組合成帶通濾波器,另一種是由多級二階帶通濾波器構成多階帶通濾波器。軟件仿真發現,如果采用第一種方法,那么達到要求的設計指標,則需要設計一個8階的切比雪夫低通濾波器和一個7階的切比雪夫高通濾波器,或設計一個20階的巴特沃斯高通濾波器和20階以上的巴特沃斯低通濾波器,設計和實現上稍顯復雜,因而決定采用第二種方法,軟件仿真發現,由四級二階多重反饋環型帶通濾波器構成的8階切比雪夫帶通濾波器可以達到設計指標。

構成8階帶通濾波器的每個二階單元都是一個相對較窄的帶通濾波器,只是每個二階單元的中心頻率和頻譜特性有所不同。通過將四個二階帶通濾波器的頻譜特性相疊加,便得到了如圖1虛線所示的8階帶通濾波器的頻譜特性。二階單元采用如下所示的多重反饋帶通濾波器結構,多重反饋帶通濾波器具有輸出阻抗小,多級串聯不需要隔離級等特點,適合用于該帶通濾波器的設計。

這里根據所設參數和選定的電路結構,通過軟件仿真得到各級二階單元的多組電容和電阻值。表1列出了本文設計濾波器的一些參數值,如表1所示。

表1 二階單元參數表

圖3 各級二階單元的幅頻特性

根據所選定的電路結構及相應的電容電阻值,通過軟件對各個二階單元的幅頻特性及四個二階單元合成的總幅頻特性進行了仿真,分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出,單個二階單元的具有各自不同的中心頻率、Q值和增益,雖然每個二階單元的幅頻特性都不符合帶通濾波器的設計指標,但是由它們相疊加而成的幅頻特性則達到了要求的設計指標。

圖4 八階帶通濾波器的總幅頻特性

3 實測中遇到的問題及解決方案

由于該帶通濾波器的上邊帶3dB截止頻率達到202kHz,因此在選擇運算放大器時,要求放大器的上限工作頻率至少要高于300kHz。這是因為有源濾波器由集成運算放大器構成,因而具有一定的電壓放大和緩沖作用,但同時也受到集成運算放大器帶寬的限制。當中心頻率和截止頻率較高時,如果運算放大器的帶寬和轉換速率不夠高,就會造成嚴重的波形失真和Q值下降。由于要求的中心頻率較高,因此在選擇放大器時應該選擇增益帶寬積和轉換速率較高的放大器。放大器的頻率上限由所選運算放大器的增益帶寬積(GBP)和轉換速率(SR)決定。對于GBP=30MHz的放大器,設計增益為1000倍(60dB)時,則頻率上限為30kHz。而大振幅下影響振幅頻率特性因素的是轉換速率,SR與輸出頻率上限的關系為：

例如,如果想在200kHz以內得到10Vo-p的正弦波,則要求運算放大器的轉換速率大于12.6V/μ s。在選用放大器時,考慮到本身有源濾波器的噪聲就較大,因此決定采用高頻低噪聲放大器。這里對兩款常用的低噪聲放大器OP227和AD797進行了對比。查看OP227的數據手冊發現,其GBP為8MHz,而SR僅為2.3V/μ s,轉換速率較低。根據濾波器的設計指標,決定選用AD797。AD797的GBP高達110MHz,SR為20V/μ s。

經過測試,由AD797形成的8階帶通濾波器的3dB截止頻率分別為147kHz和206.4kHz,10dB截止頻率為138kHz和221.1kHz,帶內波動小于1dB。總體來說,達到了所要求的帶通濾波器設計指標。

而如果選用OP227來制作8階有源帶通濾波器,測試時發現,濾波器的上限截止頻率達不到202kHz,且帶內波動較大。將圖2所示的二階單元中的電容去掉(即去掉C2、R3支路,C1短路),OP227連接為放大10倍的反相放大器。將100mVp-p的信號輸入該放大器,發現當輸入信號頻率分別為300kHz、400kHz時,輸出信號比實際應該得到的信號分別出現了不同程度的衰減。因此造成濾波器達不到上限截止頻率的原因是OP227的上限頻率不夠高,即增益帶寬積或轉換速率不夠高,因而導致信號產生失真。

4 結語

本文介紹了一個中心頻率為177kHz、帶內波動小于1dB的8階有源帶通濾波器的實用設計。由于頻率較高,因此在選擇運算放大器時需要選擇增益帶寬積和轉換速率較高的芯片。本文采用GBP高達110MHz、SR為20V/μ s的低噪聲芯片AD797來制作所要求的濾波器,經過測試,濾波器各項指標完全符合設計要求。

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