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简单聊聊有源滤波器

简单聊聊有源滤波器

其中无源滤波器靠 R、L、C 本身的频率特性进行滤波,输出信号幅度一般小于输入(有衰减);而有源滤波器在滤波网络中加入运算放大器(或晶体管),能够对信号进行放大补偿,同时改善带宽、阻抗特性。

增益与补偿有源滤波器通过在电路中引入运算放大器(或晶体管),可以在滤波的同时提供 电压增益,实现“边滤波边放大”。

例如,一个一阶低通有源滤波器的传递函数:

其中, 就是可调节的增益因子。

阻抗特性改善运放输入端几乎不取电流,因此不会对前级信号源造成负担;其中运放输出能提供较强驱动能力,方便驱动后续电路或 ADC;显然这点是无源滤波器无法做到的,因为 RLC 电路会受到源阻抗和负载阻抗的强烈影响,导致滤波特性劣化。

带宽与灵活性通过调节电阻、电容参数,运放电路可以轻松改变 截止频率、品质因数 Q、带宽;还可以级联多级二阶有源滤波器来实现高阶滤波,比如Butterworth:平坦通带响应,适合一般音频和数据采集。

对比特性无源滤波器有源滤波器是否需要电感需要不需要增益能力无,只有衰减可放大或衰减输入阻抗依赖 RLC高输入阻抗输出阻抗偏高低输出阻抗适用频率适合高频(>100kHz)适合低频~中频(<100kHz~1MHz)电路复杂度元件简单需运放和电源有源滤波器的核心:运放OP理想运放的基本特性在理论上,运放有以下几个重要特性:

无限大开环增益;输入一个微小电压差,输出就会被无限放大。

无限大输入阻抗;输入端几乎不取电流,不会干扰信号源。

零输出阻抗;输出可以驱动任意负载。

差分放大输出电压:

:同相输入端电压

:反相输入端电压

由于开环增益非常大,在负反馈作用下,会强迫 ,这就是虚短原理;同时输入端电流几乎为零,这就是虚断原理。

运放的工作模式运放必须配合反馈电路才能稳定工作。常见两种模式:

反相放大器电路:输入电阻 ,反馈电阻 接在输出和反相端之间。 传函:

反相、增益可调。

同相放大器电路:输入信号直接接同相端,反馈电阻 ,输入电阻 。 传函:

不反相,增益 ≥ 1。

OP 可以保证滤波后的信号幅度足够,不至于太小;以及不影响前级电路(传感器、前置放大器);输出端能稳定驱动 ADC 或后级电路。

但是在设计的时候要考虑实际运放的非理想因素在真实电路中,运放有一些限制:

有限增益(典型值 100 dB),有限带宽(增益带宽积 GBW),输入偏置电流、输入失调电压,电源电压范围、输出摆幅限制;噪声特性(热噪声、1/f 噪声)。

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