带通滤波器的电路设计(1)
带通滤波器的传统设计方法涉及大量复杂的理论分析和计算。针对上述缺点，介绍了一种利用EDA软件设计带通滤波器的方案，详细阐述了利用FilterPro软件设计有源带通滤波器电路的步骤，并给出了在proteus中对所设计的滤波器进行仿真分析和测试的方法。测试结果表明，用该方法设计的带通滤波器性能稳定。设计难度小，也为滤波器的设计提供了新的思路。
带通滤波器是一种只允许某些频率通过，同时有效抑制其他频率信号的电路。因为它对信号有选择性，所以在电子设计中被广泛使用。然而，带通滤波器种类繁多，每种类型的设计也千差万别，这就必然导致传统滤波器设计方法中大量的理论计算和分析，不仅浪费了宝贵的时间，而且提高了电路的设计门槛。为了解决上述缺点，本文介绍了一种结合FilterPro和Proteus的有源带通滤波器的设计方案。随着EDA技术的不断发展，这种方法的优势会越来越明显。
图1使用理想运算放大器的带通滤波器
电路原理图如图1所示。然后在Proteus中搭建电路进行仿真分析。如前所述，FilterPro生成的滤波器中的运放采用的是理想运放模型，所以需要先分析理想运放，再进行替换。
图2实际构建的滤波器电路。
在设计中，运算放大器选用ti公司典型的通用双放大器LM358。LM358包括两个高增益、独立的内置频率补偿双放大器，适用于单电源宽电压范围和双电源工作模式。其特点是低输入偏置电流、低输入失调电压和失调电流、宽共模输入电压范围和等于电源电压范围的差模输入电压范围。单电源电压3-32V，双电源电压1.5- 16V，单位增益带宽1MHz。它适用于一般带通滤波器的设计，并具有低功耗的功能。对于阶数相对较高的带通滤波器，可以选择TI的四个运算放大器LM324，其性能与LM358基本相同，在应用中节省了空间。这种设计对运放的要求不是特别高，只要运放的频率满足低通的截止频率即可。如果精度高，首先运放的电源电压要足够稳定，或者选择精密运放，比如TLC274A，否则可以通用，比如推荐TI的LM224四级运放。
巴特沃兹带通滤波器的幅频响应在通带内具有平坦的幅值特性，但从通带到阻带的衰减较慢。如果对过渡带的要求稍高，可以提高阶数，否则可以用切比雪夫滤波器电路代替。
下面讨论两种带通滤波器。一种是四阶带通滤波器，由二阶低通滤波器和二阶高通滤波器组成，如下图所示：
图3四阶带通滤波器
参数选择和计算：
对于低通滤波器的设计，电容一般为1000pF，对于高通滤波器的设计，电容一般为0.1uF，然后根据公式r=1/2 fc计算出与电容结合的电阻值，即本图中的R2、R6和R7。为了消除运算放大器失调电流引起的误差，运算放大器的同相输入端和反相输入端之间的DC电阻尽量基本相等。同时，巴特沃兹滤波器的阶数与增益有一定的关系(见表1)。根据这两个条件，可以列出两个方程：30=R4*R5/(R4 R5)，R5=R4(A-1)，36=R8*R9/(R8 R9)，R8=R9(A-1)，由此可以解出R
表1巴特沃兹低通和高通电路的阶数与增益的关系
第二种是二阶有源带通滤波器，只使用一个放大间隔，如下图所示：
图4二阶带通滤波器
带通滤波器的电路设计(二)
将图(1)所示带通滤波电路的幅频响应与高通和低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现，只要低通滤波电路的截止角频率WH大于高通电路的截止角频率WL，并且它们所覆盖的通带提供了带通响应，那么如图(2)所示串联的低通和高通滤波电路就可以构成一个带通滤波电路。
这是一个通带频率范围为100HZ-10KHZ的带通滤波电路，我们将其设计为通带内的单位增益。根据问题的意思，在低频f=10HZ时，幅频响应至少衰减26dB。在高频f=100KHZ时，要求幅频响应衰减不小于16dB。所以可以选择二阶高通滤波电路的截止频率fH=10KHZ，二阶低通滤波电路的fL=100HZ，有源器件仍然选择运算放大器LF142。如图所示，两个滤波器电路串联连接，形成所需的带通滤波器电路。
根据巴特沃斯低通和高通电路的阶数n与增益的关系，可知Avf1=1.586。因此，两级串联带通滤波电路的通带电压增益(Avf1)2=(1.586)2=2.515，要求通带增益为0dB，所以在低通滤波器的输入部分增加一个由电阻R1、R2组成的支路。
元件参数的选择和计算
选择元件时，应考虑元件参数误差对传递函数的影响。规定电阻值的公差为1%，电容值的公差为5%。因为每个电路包含几个电阻和两个电容，所以实际截止频率可能会有很大的误差(可能是10%)。为了保证在100Hz和10kHz的衰减不超过3dB，设计是基于90Hz和1kHz的额定截止频率。
已经指出，运算放大器电路中的电阻不应该太大或太小。一般几千欧到几万欧比较合适。因此，低通电路的电容值为1000pF，高通电路的电容值为0.1F，然后可以通过公式RCWC1=计算出准确的电阻值。
对于低通级，由于已知c=1000pF，fh=11kHz，所以由公式RCWC1=计算出R3=14.47 k，首先选取标准电阻值R3=14.0 k。可以对高通级进行相同的计算。由于已知C=0.1F和fL=90Hz，因此可以得到R7=R8 18 K 。
考虑到已知Avf1=1.586，且运算放大器同相输入和反相输入对地的DC电阻应尽可能基本相等，故选取R5=68k和R10=82k，由此可计算出R4=(Avf1-1)R539.8k和R9=(Avf1-1)R1048k，容差为1%。
设计的电路如图所示。信号源vI经R1和R2衰减，其戴维宁电阻为R1和R2的并联值，应等于低通电阻R3(=14k)。因此，有
因为整个滤波器电路通带增益是分压比和滤波器的部分增益的乘积，
将表达式和组合起来，选择公差为1%的额定电阻，得到R1=35.7 k，R2=23.2 k。
带通滤波器的电路设计(三)
带通滤波器电路实用原理图
该电路是负反馈支路中的带阻滤波器，因此它只允许被反馈支路阻挡的频率信号通过。
审计郭婷
