有源滤波器的仿真.pdf

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1、序论序论 滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制 （或衰减） 的电子 装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。按照滤波器的功能划分，滤波 器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。以往主要采用无源元件R、L 和C组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速地发展，由它和R、C组成的有源 滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输 入阻抗均很高， 而输出阻抗又很低， 并且由其构成的有源滤波器还具且一定的电压放大和缓 冲作用。因此基于放大器和R、C构成的有源滤波器应用日益广泛，对于滤波器的优化设计方 面的工

2、作也显得越来越重要。 随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计(CAD：Computer Aided Design)技术已经 渗透到电路设计的各个领域，CAD 技术已经成为提高电路和系统设计的性能和质量的必备 工具。现在可以毫不夸张地说，离开 CAD 技术，电路与系统的设计将寸步难行。OrCAD 软件 和 PSpice 软件是电路设计最常用的软件之一， 随着 OrCAD 公司和 MicroSim 的合并， 这两个 软件也取长补短并集成在一起成为功能更加强大 OrCAD/PSpice9 软件包， 它在性能分析和优 化设计方面比以前有很大扩展。 在电子技术的学习和教学中配合使用仿真软件可使学生加深

3、 对所学知识的理解提高学习效率。OrCAD/PSpice10.5 软件是电路设计最常用的软件之一尤 其是以下几个方面更具特色，功能强大的仿真结果观察分析模块 PROBE，不仅提供基本的 结果显示和结果数据的函数运算功能， 后者可方便地得到功率阻抗等波形， 提供数据曲线各 种特征点的提取功能，可取得曲线最大最小斜率最大最小等特征点，电路性能分析功能 Performance Analysis 可配合参数分析功能给出某种电路性能和元器件参数之间的关系，为 电路的最优化设计提供依据。在语音放大电路实验中，带通滤波器是很重要得一环。 OrCAD/PSpice10.5 强大的功能完全可以进行带通滤波器性能

4、分析及优化设计。 虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑 分析仪、信号发生器、频谱分析仪等。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机 的融合为一体， 从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、 控制能力结合在一起， 大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 DSO-25216 包括双通道数字存储示波器+十六通道逻辑分析仪+双通道频谱分析仪，可连接 台式计算机或笔记本电脑，每个通道（包括逻辑分析仪通道）都具有 250MHz/秒的采样速 率和 128K 采样存储深度，具有先进的触发和通过/失败测试及其它许多高级

5、测量功能。 本实验利用 OrCAD/PSpice10.5 高级电路仿真软件进行扩音电路和滤波器电路的设计验 证，并通过虚拟仪器 DSO-25216 对实际电路参数进行自动测量，使同学们初步了解电子设 计自动化 EDA 的设计步骤和过程。 一、实验目的 一、实验目的 （1）掌握有源滤波器的基本原理和设计方法，熟悉巴特沃思，切比雪夫滤波器的特性， 会利用滤波器设计软件 FilterLabFilterLab 进行辅助设计； （2）掌握OrCAD/PSpice10.5OrCAD/PSpice10.5软件使用方法，会利用软件进行基本电路的设计、仿真和 优化； （3）熟悉虚拟仪器 DSO 25216DSO

6、 25216 使用方法，并会用它测量电路中各种参数； （4）了解语音电路的基本的设计思路，初步掌握电子电路 EDAEDA 的设计方法。 二、实验任务与步骤 1、任务 二、实验任务与步骤 1、任务 熟悉语音放大电路每一部分的构成原理， 利用FilterLab软件进行基于运算放大器和R、 C 构成的有源滤波器的初步设计，再用 OrCAD/PSpice10.5 软件分析电路性能，电路参数并 进行优化；搭建实际电路，然后利用虚拟仪器 DSO 25216 测量电路中各种参数，并与 PSPICE 仿真得出的数据进行比较，最终看出 PSPICE 仿真值与电路实际测量值之间的区别。其间调 整电路参数使电路性能

7、达到最佳，使扩音机发出清晰，无失真的声音。 2、步骤 2、步骤 用 OrCAD/PSpice10.5 对前置放大和音调调节电路进行仿真，进一步熟悉电路工作原 理，得出电压增益，幅频特性等参数，并用虚拟仪器进行相关测量。二者比较。 利用 FilterLab 软件进行带通滤波器的初步设计，用 OrCAD/PSpice10.5 对滤波电路 进行仿真和优化，得出频率响应，电压增益，-3dB 带宽，上下限截止频率，结合实际器件 对电路参数进行必要调整。 得到实际器件参数后搭建电路， 用虚拟仪器进行交直流分析和频谱分析 （傅立叶分析， FFT） ，测量各项参数。 优化调整电路，使扬声器发出悦耳的声音。 在

8、信号中加入噪声，用设计的滤波器进行滤波，分析滤波效果。 写出实验报告 三、实验原理三、实验原理 1、语音放大电路的原理框图、语音放大电路的原理框图 2、 分配各级放大电路的电压放大倍数分配各级放大电路的电压放大倍数 由设计参考电路图得知，该扩音机主要由三级组成：前置放大，有源滤波和功率放大。 其总的电压放大倍数 Au = Au1 Au2 Au3 。 应根据放大器所要求的总的放大倍数 Au 来合理分配 各级的电压放大倍数， 同时还要考虑到各级放大电路所能达到的放大倍数。 因此在分配和确 定各级电压放大倍数时，应注意以下几点： 输入 信号 有源滤 波器 Au2 前置放 大器 Au1 功率放 大器

9、Au3 噪声 信号 音调 调节 （1）由输入信号 ui，最大不失真输出功率 Pom，负载阻抗（扬声器）RL，求出总的电 压放大倍数（增益）Au ； （2）为了提高信噪比 S/N，前置放大电路的放大倍数应该适当取大； （3）为了使输出波形不致产生饱和失真，输出信号的幅值应小于电源电压； （4）最大不失真输出功率 Pom测量方法：输入 f = 1kHZ 的正弦输入信号，并逐渐加大 输入电压幅值直到功放输出电压 uo的波形出现临界削波时，测量此时负载阻抗（扬声器） RL两端输出电压的最大值 UOm或有效值 UO则 Pom = UOm22 RL = UO2RL； （5）功放的电压增益已经确定，同学可以

10、根据以上公式，计算前置放大和有源滤波电 路的放大倍数，并在扩音机电路中进行相应调整。 3、前置放大级、前置放大级 根据电路图，由于驻极体话筒输入的信号在 10mV 左右，信号比较小，因而电路的电压 放大倍数应适当取大。R21、R30 为输入信号提供直流偏置，信号由 C5 耦合到放大器 U5A 进行放大，放大倍数为 R31/R_back=100k/1.5k=66.7，R52 使得放大倍数可以调节，调节范 围为 066.7 倍。在 U5B 处 MIC 信号无需进行放大（由微弱信号提取理论，这样可以得到 更好的信噪比） ，因而此处放大倍数取 R20/R2562k/62k=1。在电源处加入旁路电容以尽

11、可 能减少电源噪声的影响。 音频信号可以来自收音机、录音机、计算机等音源的声音信号，信号动态范围较大，一 般为 100mV200mV， 所以此电路电压放大倍数较小， 最大为 R20/R39=62k/16k4 倍， R56 进行放大倍数的调节。 思考：为什么放大倍数要这样取值？ 4、音调调节、音调调节 如图电路所示，C52、C11 为输入输出耦合电容，电路的上、下两个部分实际上分别构 成了低、高通滤波器，R51、R55 分别控制滤波器的通带增益。R54 控制输出功率，也即音 量控制器。 该电路是否连接到系统中可选择。 思考：利用 orCAD/PSpice10.5 仿真该电路，看看它是如何工作的？

12、 5、功放电路、功放电路 功放采用 TDA2030A 集成功率放大器，电路介绍如下： （1）输出功率大，电源电压适应范围宽（+/-2.5V +/-28V），电源利用率高（大于 63%）。即可采用正负电源，又可单电源供电。本电路采用+12V 单电源供电，最大不失真输 出功率为 8W； （2）静态电流小（50mA 以下），动态电流大（能承受 3.5A 负载电流）；带负载能力 强，即可带动 416 欧姆的扬声器，某些场合又可带动 2 欧姆甚至 1.6 欧姆低阻负载。本电 路采用 1W/4 欧姆的扬声器； （3）噪声低，保真度高。输入端噪声电压最大不超过 15uV,信噪比可达 100dB，交叉 失真极

13、低，额定功率下均小于 0.5%； （4）增益高，开环增益均在 80dB 以上，闭环增益可在 2640dB 范围内调整。图中电 压增益约为 32 倍； （5）输入阻抗高， TDA2030A 的输入阻抗典型值为 5 兆欧姆； （6）工作频带宽,闭环带宽优于 40Hz 14000Hz； （7）可靠性高，上述各种电路内部均设有过电流保护电路及功耗限制电路。由于内部 没有热关闭系统，当负载短路或外部其他原因造成电流剧升使功耗超过额定值（结温超过 150 度）时，功放保护电路启动，使器件工作于安全区。 （8）出现下述各种情况，均不会造成集成电路损坏；1、输出端对地短路；2、温升高 于 150 度；3、浪涌

14、电压冲击；4、负载开路；5、电源极性接反。 6、噪声发生器、噪声发生器 （1）噪声发生机理 （1）噪声发生机理 在双极性晶体管和半导体二极管等器件中,流动的电流不是平滑和连续的,而是各个携 带着一个电子电荷的载流子的流动产生的电流脉冲之和。 其原因在于这些器件中有势垒存在, 而载流子通过势垒是随机发生的一系列独立事件。对于晶体管,当发射结处于正向偏置时, 就有载流子越过发射结势垒由发射区注入基区。 虽然单位时间内注入基区的载流子平均数是 一定的,但是,某一个载流子越过势垒进入基区的事件却是随机的,它取决于载流子是否具有 足够的能量以及指向结面方向的速度的大小。 这就使得注入基区的少子数目在其平

15、均数附近 发生统计起伏,从而引起注入电流的起伏。这种由于载流子各自独立而随机地通过势垒所引 起的噪声,称为散粒噪声。 电流强度平均值为I 的一系列独立的随机电流脉冲所产生的散粒噪声电流均方值可以 表示如下: 2 2iqI f= （1） 其功率谱密度为 ( )2S fqI= （2） 由式(2) 可知,散粒噪声的功率谱密度与频率无关,属于白噪声。 值得强调的是该式只在 中低频范围内有效,在高频区(接近1GHz) ,散粒噪声也将随频率的上升而增加。尽管如此, 在极宽的频带范围内,其功率谱密度仍与频率无关。 而且,实验还发现,PN 结反向击穿会使散 粒噪声激增。总之,PN 结的散粒噪声具有以下特征:

16、A、 在非常宽的频率范围内,从几个赫兹到微波频段,其功率谱密度与频率无关,即呈白噪 声; B、 基极-发射极的PN 结反向击穿时,噪声强度激增。 因此可以用作高性能的固态噪声源。 （2）噪声发生电路）噪声发生电路 如图噪声发生器电路所示，Q1、Q2 为普通的 2N5551 三极管，Q1 发射结反偏处于齐纳 击穿状态，产生款谱谱噪声，经 Q2 放大后在 C47 处得到 150mV 左右的白噪声。C47 隔离 直流成分后，经过 U1A 射随器到 U1B 进行放大，放大倍数通过 R50 进行调节，范围为 0 4.5 倍。 在噪声发生器后面跟着一个截至频率为 3000Hz 的高通滤波器，是否连接到系统

17、中可选 择。 7、输入输出电路、输入输出电路 （1）反向比例输入电路：）反向比例输入电路： 反向比例电路作为输入端，对共模信号抑制能力强，而且，由于电压负反馈的作用，输 出电阻小，带负载能力强。 输出电压和输入电压的函数关系是 4041 4544 o i VRR VRR = = （2）输出级：电压跟随器）输出级：电压跟随器 电压跟随器能使电路输入电阻增大，输出电阻减小，提高带负载能力。所以它能真实的 将输出信号传给负载，而向信号索取的电流小。 四、滤波器设计概要 1、概要 四、滤波器设计概要 1、概要 滤波器是一种对于特定频率的信号具有选择性的网络， 它让指定频段的信号通过， 将其 余频段上的

18、信号加以抑制或使其急剧衰减。 滤波器广泛应用于通信、 仪表、 航天、 自动控制、 电视、广播、雷达、空间卫星等众多领域。 根据所处理的信号不同，滤波器分为模拟滤波器模拟滤波器和数字滤波器数字滤波器。 根据所用元器件不同，又可以分为无源滤波器无源滤波器和有源滤波器有源滤波器。 滤波器理论是一门庞大的课程，纯粹能由电阻器、电感器和电容器构成的滤波器（RLC 滤波器） ，这些都是无源元件。然而，在反馈概念出现以后，在一个滤波器电路中吸收进一 个放大器就有可能不用电感而实现任何响应。由于运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低 输出阻抗的特点，使得有源 RC 滤波器比 RLC 滤波器有一系列优点。 首先有

19、源运放的引入可以起到能量转换的作用， 使无源期间中损失的能量得以补充， 所 以电路可以采用损耗较大的电阻； 其次用一些小型电阻和电容取代了无源 RLC 滤波器中的电 感，从而免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点；有源 RC 滤波器能提供一定的信号增益，同时具有缓冲作用，有利于高阶滤波器的实现；有源 RC 滤波器的制作也适于小型化、集成化。 滤波器的设计方法有很多， 本实验要求掌握的是级联设计方法。 级联设计方法是通过级 联一阶和二阶滤波器结构来产生所需要的响应。只要确定各个部分的截止频率 c 和品质因 数Q，就可以把高阶的设计化成为对一阶或者二阶滤波器的设计。这样

20、，对每一节的设计 就相对比较简单，元件值也一般比较低。每节低输出阻抗消除了级间负载效应，因此如果需 要的话可以将每节看成是独立于其他部分的， 从而可以单独进行调谐。 由于使用了一些标准 模块来设计各种各样的更加复杂的滤波器， 因此从经济的角度来看， 这种设计方式本身的模 块化是很吸引人的。 从模块化设计角度来说， 要求级联滤波器各个部分是相互独立的。 然而这种特性却使得 整个响应对于各个部分由于容差、 热漂移和老化所带来的参数变化非常敏感。 特别是对于高 Q值的模块来说，其中一个元件微小的变化都会导致整个级联电路的响应发生明显的变化。 这是有源滤波器的不足之处（在这一方面，梯形 RLC 滤波器

21、对元件变化的灵敏度是最低的。 梯形结构是一个紧密的耦合系统。 这种系统的灵敏度是以一种群体的方式分布在它的所有元 件上，而不是被限定在特殊的几个上面） ，设计过程中要注意。 2、2、 滤波器分类 滤波器分类 通常在复频域中讨论滤波器的性质。 按照滤波器电路的传递函数和频率响应特性可将滤 波器分成五种：低通、高通、带通、带阻和全通。 () ()() j H jH je = 其中()H j为幅频响应，( ) 为相频响应。 如果一个系统的幅频响应为常数，即 0 ()H jH=，以及它的相频响应为线性，则这个 系统允许任何信号通过，这类滤波器称为全通滤波器。 通常， 把频率选择滤波器中能够通过的信号频

22、率范围叫做通带， 把受阻或衰减很大的信 号频率叫做阻带。 除了全通滤波器外， 按照频率响应的通带和阻带的位置还可以有以下四类 滤波器。 理想低通滤波器：理想低通滤波器：如图 1 所示。它的通带范围：0 c ， c 是滤波器的截至频率。高 于 c 的频率范围为阻带，所以低通滤波器的带宽 c B=。 理想高通滤波器：理想高通滤波器：如图 2 所示。它的通带范围： c ，阻带范围：0 c 。 c 是滤 波器的截至频率。 理想带通滤波器：理想带通滤波器：如图 3 所示。它的通带范围： 1 2 （ 1 2 ） ；阻带范围： 1 及 2 。 1 、 2 分别为带通滤波器的下截止频率和上截止频率。其带宽为：

23、 21 B=，一般把 012 =叫做其中心频率。 理想带阻滤波器：理想带阻滤波器： 如图 4 所示。 与带通滤波器相反， 它的通带范围： 1 及 2 ； 阻带范围： 1 2 。 1 、 2 分别为带阻滤波器的下截止频率和上截止频率。 3、3、 滤波器的设计过程 滤波器的设计过程 理想滤波器的通带和阻带之间不存在过渡， 即它的幅频特性曲线从通带到阻带的过渡是 阶跃的， 这种滤波器在工程上是不可能实现的， 只有通过某种传输函数去逼近滤波器的理想 特性，然后通过电路网络综合的方法用各种电子器件去实现它。一般的实现步骤为：先通过 一个可实现的数学函数对所要求的滤波特性的逼近， 找出近似传递函数， 再把

24、传递函数分成 若干个二阶和一阶因式，然后用电路依次实现之，再通过级联就可得到滤波电路。所以滤波 器设计的第一个问题是寻求某个传输函数， 使其幅频特性逼近理想滤波器特性； 第二个问题 是综合问题，即寻求一个电路网络结构，用电子器件去实现上面的传输函数。 滤波器的传输函数可以写成下面的有理多项式的形式： 1 110 1 110 ( ) nn nn mm mm b sbsbsb H s a sasa sa + = + L L 上面的 s 是复频域变量，多项式系数 i a, j b决定了滤波器的类型，如低通、高通、带通、 带阻等。 同时也决定了滤波器的幅频与相频曲线的形状。 上式分母多项式中 m 是滤

25、波器的阶 数（如 s 的最高次幂是5，则称为5阶滤波器） 。进一步运算表明，上式可以表达成如下形式： 121 0 12 1 () ()()() ( ) ()()() () n i nni m mm j j sz b szszsz H sH aspspsp sp = = = L L 其中 0 n m b H a =是一个常数， 称为标度因子， i z是滤波器函数分子等于0的特征方程的根， 叫零点，而 j p是滤波器函数分母等于0的特征方程的根，叫极点。显然滤波函数可以由一组 零点、一组极点和一个标度因子 0 H表示。只要知道了零点、极点和标度因子，滤波器的类 型、幅频和相频的形状就可以完全确定了

26、。 高通、 带通和带阻函数可以由低通函数变换得到， 而不同参数的低通滤波器又可以归一 化为 0 1=和 0 1H =的标准低通滤波器， 所以对于近似问题只要研究归一化低通函数即可。 滤波器的近似方法多种多样， 不同的近似采用不同的归一化低通函数， 因而也综合出特 性不同的滤波器。最常用的有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebychev）滤 波器、椭圆滤波器和贝塞耳（Bessel）滤波器。 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器：又称最大平坦度滤波器，它的特点是在整个通带内，滤波器的幅频特 性曲线是平坦的而且是在有平坦特性的滤波器中带宽最宽的。 切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器： 又称

27、通带等波纹滤波器， 这种滤波器的幅频特性曲线在通带内有等幅 的纹波波动， 波动的次数与滤波器的阶数有关， 不同的波动幅度所对应的传输函数多项式的 系数不同。 椭圆滤波器椭圆滤波器：又称考尔滤波器，这种滤波器的幅频特性曲线在通带和阻带内都有波动。 贝塞耳滤波器：贝塞耳滤波器：又称为线性相位型滤波器，这种滤波器通带边界下降较缓慢,但其相频 特性接近线性,具有最佳的相位特性。 各种滤波器的归一化低通函数都有表可查。 下面仅以巴特沃斯和切比雪夫滤波器为例简 单说明。这两种滤波器都是全极点滤波器，它们的归一化低通函数只有极点而没有零点，形 式如下： 1 110 ( ) n nn n a H s sasa

28、 sa = +L 其中 s 为复频率变量，n 为滤波器的阶数。 表1和表2绘出了以因数形式表示的15阶巴特沃斯和切比雪夫（波动为1dB）函数的分 母多项式： n=1s+1 n=2 n=3 n=4 n=5 2 (1)(1)sss+ + 22 (0.7651)(1.8481)ssss+ 22 (1)(0.6181)(1.6181)sssss+ 2 21ss+ 表表1 巴特沃斯滤波器函数的分母多项式巴特沃斯滤波器函数的分母多项式 n=1s+1 n=2 n=3 n=4 n=5 2 (0.494)(0.4940.994)sss+ 22 (0.2790.987)(0.5740.279)ssss+ 22 (

29、0.289)(0.1790.988)(0.4680.429)sssss+ 2 1.0981.103ss+ 表表2 切比雪夫（波动为切比雪夫（波动为1dB）滤波器函数的分母多项式）滤波器函数的分母多项式 归一化低通函数把 0 归一化为1，由它变换出 0 为任意值的低通、高通、带通、带阻 函数。变换公式如下： （1） 归一化低通去归一化低通变换 一阶： 0 0 0 1 / 1 Ss Ss = + uuuuuuuuur 二阶： 2 0 0 2 22 0 0 1 / /1 Ss SS Q ss Q = + + uuuuuuuuur （2） 归一化低通去归一化高通变换 一阶： 0 0 0 1 / 1 S

30、s Ss = + uuuuuuuuur 二阶： 2 0 0 2 22 0 0 1 / /1 Ss SS Q ss Q = + + uuuuuuuuur （3） 归一化低通去归一化带通变换 0 2 00 22 0 0 1 /(/ ) 1 s Q SQss S ss Q =+ + + uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuur （4） 归一化低通去归一化带阻变换 22 2 0 00 22 0 0 1 /(/ ) 1 s SQ ss S ss Q + =+ + + uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuur 注意：带通、带阻函数的分母多项式没有一阶的情况。 实际的滤波器幅频特性曲线总有过渡区。图

31、5表示巴特沃斯滤波器的幅频特性曲线。 ps ff?为过渡带宽。 在直流下， 传输增益为1， 即0分贝， 当 p ff=时， 增益为 p A； 当 s ff= 时，增益为 s A。由于滤波器的增益一般小于1，用分贝表示则增益为负数。 p f：通带宽度，单位赫兹。 s f：阻带宽度，单位赫兹。 p A：通带增益绝对值，单位分贝。 s A：阻带增益绝对值，单位分贝。 图6、图7是带通滤波器的幅频特性。fp1fp2为通带带宽， 012pp fff=为中心频率， 0 f Q B =为滤波器的品质因数，Q越达，说明滤波器的选频性能越好，但相应带宽降低。 对于巴特沃斯滤波器：fp1通带下界频率，单位赫兹 f

32、p2通带上界频率，单位赫兹 p Af=fp1或 fp2时增益绝对值，单位分贝 fs1低端截止频率，单位赫兹 fs2高端截止频率，单位赫兹 s Af=fs1或 fs2时增益绝对值，单位分贝 对于切比雪夫和椭圆滤波器：fp1通带下界频率，单位赫兹 fp2通带上界频率，单位赫兹 p Af=fp1或 fp2时纹波幅度，单位分贝 fs1低端截止频率，单位赫兹 fs2高端截止频率，单位赫兹 s Af=fs1或 fs2时增益绝对值，单位分贝 以上参数并不都是独立的。带阻滤波器的参数与带通相同，只是带通 fs1fp1fp2 fs2，而带阻 fp1fs1fs2fp2。 4、常见单元电路的简单分析4、常见单元电路

33、的简单分析 由有源放大器组成的一阶和二阶滤波器电路有很多， 分析的方法都是结合放大器的理想 特性，利用基尔霍夫定律求解电路方程。简单起见，以 Sallen-Key 二阶低通电路为例来分 析滤波器的单元构成。其他各种形式的一阶、二阶电路分析方法类似。 二阶有源低通滤波标准传输函数为： 2 0 02 2 00 )( + = s Q s H sH Sallen-Key 电路如图 8，VDD 和 VEE 分别给运放12V 和12V 电压： Vp VoVin Vp 0 V+ 12Vdc V- 12Vdc VEEVDD C1 VEE VDD 0 C2 + 3 - 2 V+ 7 V- 4 OUT 6 OS1

34、 1 OS2 5 0 R2 R3 R1 R4 Vx 图 8 二阶有源低通滤波器 LPF 图 8 二阶有源低通滤波器 LPF 根据基尔霍夫定律列出电路方程： 1 122 4 22234 () 1/ 1 1/ inxx xo xo VVV VV sC RRsC VV R RsCsCRR =+ + = + ? 解方程得到传输函数为： 1122221211 2 2121 1 ) 111 ( / )( CRCRCR A CRCR ss CCRRA sH F F + + = 对比标准传输函数，得到： 1122 2 0 1 CRCR = 4 3 0 1 R R AH F += 22 11 12 21 11

35、22 )1 ( 1 CR CR A CR CR CR CR Q F += 可以看出 R3和 R4仅仅影响传输增益，所以有时候也将放大器的2脚和6脚短路，即令 R3 0，同时去掉电阻 R4，这样传输增益则为1。 5、FilterLab 软件设计 5、FilterLab 软件设计 FilterLab 2.0是Microchip公司免费提供地滤波器设计软件，可以在Microchip公司的 网站上免费下载（）。FilterLab 2.0的设计工具箱可以从设计要求出发 生成实际电路，给出建议元器件取值，给滤波器设计带来一定方便。它可以设计最高8阶的 巴特沃斯、切比雪夫或者贝塞耳低通滤波器，频率范围为0.

36、1Hz1MHz。同时也可以设计高 通和带通滤波器。FilterLab 2.0提供的单元电路为Sallen-Key滤波器and多重反馈滤波器 Multiple Feedback (MFB)。低通滤波器可以同时用Sallen-Key或者MFB设计，带通滤波器用 MFB设计，高通滤波器用Sallen-Key设计。用户可以指定带宽和过渡带衰减大小，一旦确定， FilterLab则显示出频响特性并同时给出电路。电路中电容的取值可以取精确值，也可以允 许1的容差。当然，FilterLab软件也不是万能的，它有一些参数的限制，比如： 阶数：18阶； 通带纹波：0.01dB3dB； 过渡带衰减：10dB100

37、dB； 截止频率和阻带频率范围：0.1Hz1MHz； 带通的Q值：0.55（即不能设计高Q值带通）； 带通上下限截止频率比值范围：1.235.83。 所以，带通如果带宽过大，只能通过低通和高通级联的方法设计，而高Q值的带通滤波 器该软件不能设计。此外，它计算出的元器件值有一些在实际中可能难以买到（当然定制例 外），所以在设计当中应该充分熟悉设计方法，必要时通过人工计算得到元器件值。 该软件是界面化的工具软件，使用简单方便，使用方法详见软件使用手册。 6、利用FilterLab软件结合orCAFD/PSpice10.5设计滤波器 6、利用FilterLab软件结合orCAFD/PSpice10.

38、5设计滤波器 FilterLab软件纵然提供了比较方便的设计，但是由于它的一些限制，当我们要设计的 滤波器超过了它的设计范围时，或者我们需要修改调整其中的元器件值时，就需要利用CAD 软件来仿真和优化， 在FilterLab中初步设计出的滤波器需要在orCAFD/PSpice10.5中进行修 正。 五、五、orCAD/PSpice10.5 使用简介使用简介 下面我们用二阶低通二阶高通串接的方法设计一个巴特沃斯四阶带通滤波器， 通过这 个例子来介绍 orCAD/PSpice10.5 软件的使用方法。这个电路的框图如下： 电路图为： V1 1Vac 0Vdc 0 Vo R5 20k R6 20k

39、R7 50k R8 50k 00 Vi 12Vdc VEEVDD 0 12Vdc U1 LM741 + 3 - 2 V+ 7 V- 4 OUT 6 OS1 1 OS2 5 R3 5k C2 47n 0 VDD VEE C1 47n C3 33n U2 LM741 + 3 - 2 V+ 7 V- 4 OUT 6 OS1 1 OS2 5 VEE R4 16k R1 16k 0 C4 33n VDD R2 3k 图图 9 四阶带通滤波器电路四阶带通滤波器电路 1、新建工程文件：、新建工程文件： 在 orCAD 环境下，创建一个全新的绘图页文件之前，必须打开一个全新的项目，可由 OrCAD Captu

40、re CIS 环境下的 FileNewProject功能选项（如图 10 所示）或者工具栏的 按钮调出 New Project 对话框，如图 11 所示。 输入信号 输出信号 LPF 二阶低 通滤波 HPF 二阶高 通滤波 图图 10 创建新工程创建新工程 图图 11 “New Project”对话框”对话框 在 Name 栏输入项目名称 Filter，在对话框“Creat a New Project Using”中， “Analog or MixedA/D”能生成模拟或者数模混合电路，并能够进行仿真分析， “PC Board Wizard”能快 速生成系统级原理图进而进行 PCB 板的设计，

41、 “Programmable Lgic Wizard” 进行 CPLD 或者 FPGA 的仿真分析，“Schematic” 仅仅生成空的原理图文件。 我们选中 “Analog or MixedA/D” ， 在 Location 栏内输入本项目存储的文件夹路径。点击 OK 得到如图 12 对话框，它可以在一 个已存在的文件基础上生成新的工程，也可以选择生成空的工程，我们选后者。 图图 12 工程选择对话框工程选择对话框 至此就进入了 Capture CIS 的绘图环境。 2、 电路元器件的放置：电路元器件的放置： 选取元器件操作如下： 选中 PlacePart功能选项或是单击绘图工具栏上的 Pl

42、ace Part 快 捷键或者直接按快捷键 P，调出图 13 所示的 Place Part 对话框。 图图 13 Place Part 对话框对话框 在 Part 栏输入需要添加的器件名称既可以选中该器件。 电压源为交流源 VAC/SOURSE。 如果在“Libraries”中没有元器件所在的库，则可以在“Add Libraries”中添加，还可以在 “Part Search”中查找器件。其中 LM741 为一种通用放大器，在库文件“OPAMP”中。 3、DC Bias Detail 直流偏压点分析直流偏压点分析 为了便于设计管理， OrCAD/Pspice10.5 将 Time Domain

43、(Transient)瞬态分析， DC Sweep 直流扫描分析，AC Sweep/Noise 交流扫描和噪声分析，以及 Bias Point 直流偏置分析作为 4 种基本的分析类型。在电路模拟中，根据分析要求，建立模拟类型分组（Simulation Profile） ,以确定分析类型和设置分析参数。 每一种电路的一个模拟类型分组中只能包括上 述 4 种基本分析类型中的一种，但可以同时包括温度特性分析、参数扫描、蒙特卡罗分析和 直流工作点的存取等。 Pspice 通过模拟类型分组（Simulation Profile）来确定分析类型 和设置分析参数。下面先介绍偏压点的分析。 所谓偏压点分析就是

44、只计算电压源当前直流值时， 电路内各接点的电压值和各分支的电 流值。 其目的是验证电路中的三极管是否工作在线性区， 如果没有就应该重新调整晶体管的 偏置电阻使之工作在线性区。 在线性区中， 不同直流工作点决定了在交流分析中像三极管类 非线性器件的小信号模型的大致线性化范围， 因此电路中的线性工作点是否在最佳位置还需 要瞬态分析来判定。 直流工作点分析是电子线路分析的第一步， 实际就是检查三极管的静态 偏置， 因此要求电路中的交流源要置为零， 各类电容视为开路， 各类电感视为短路。 在 PSpice 中上述检查系统在直流工作点分析时会自动完成。偏压点分析不包括 PSpice 的 Probe 文件

45、， 结果在 SCHEMATIC 页面下的 View/Output File 中，可以用记事本软件打开查看。 步骤一：设置 DC Bias Detail 偏压点分析参数 （1）选择 PspiceNew Simulation Profile 或单击工具栏上的按钮,打开 New Simulation 对话框 图 14 New Simulation 对话框 图 14 New Simulation 对话框 在 Name 中输入本仿真参数文件的名称 BIAS。在 Inherit Fome 中设为 none。 (2)单击 Create 按钮，打开 Simulation Setting-BIAS 对话框 图

46、15 Simulation Setting-BIAS 对话框 图 15 Simulation Setting-BIAS 对话框 步骤二：存档 步骤三：启动 PSpice 进行仿真并观察输出文档的内容。 执行 PSpiceRun 菜单命令或单击按钮，出现下面的窗口 图图 16 SCHEMATIC-BIAS 画面中央呈现灰色的部分是输出波形图区，波形观察程序 Probe 的主要工作区就在这 里。 画面左下方是输出窗口(Out Window)，负责显示本仿真操作目前的进度与执行内容的信 息。 画面右下方是仿真状态窗口（Simulation Status Window)，负责显示本仿真执行内容 的信息

47、。 若是能顺利完成仿真， Output Window 内应该会出现上图所示的 “Simulation Complete” 信息。如果仿真有误（比如接地符号的名称为“GND”，不是数字“0”），Output Window 内回出现错误及警告信息，如下图 17 图图 17 错误及警告信息错误及警告信息 用 ViewOutput File 功能选项来观察执行能够偏压点分析后的结果。执行本命令后， 出现下图的文本窗口，如图 18： 图 18 Output File 图 18 Output File 静态工作点 Q 只要看一下输出节点电压就行了。PSpice10.5 中，只要运行 Bias Point

48、后，按下 V 键即可，如图 19 所示。当然也可按下 I 键，看电流值。 图 19 静态工作点 图 19 静态工作点 4、瞬态分析、瞬态分析 将电压源换成 VSIN 正弦电压信号 i V，它的频率为 FREQ=5kHz，输入信号幅值为 VAMPL=1V， 直流偏压 VOFF0， 启动分析， 在 SCHEMATIC 页面下打开 Trace/Add Trace 对话框选中 V(Vo)和 V(Vi)，如图 20 所示。 图图 20 Add Trace 对话框对话框 得到输入输出电压为： Time 0s0.1ms0.2ms0.3ms0.4ms0.5ms0.6ms0.7ms0.8ms0.9ms1.0ms V(Vi)V(Vo) -1.0V -0.5V 0V 0.5V 1.0V 图图 21 输入输出电压对比图输入输出电压对比图 可以看出 5kHz 的信号经过滤波器后被衰减了。 5、交流分析（频率响应） 5、交流分析（频率响应） 交流分析中必须用交流源 VAC。因此先确定电路图中电源为 VAC。 交流分析类型（AC Sweep Type）选择对数（Logarithmi）坐标,并在其下方的下拉式列 表中选择 Decade（十倍频程） ，选定频率按其进行对数关系变化。该栏中的另外三个选项用 来确定频率变化范围的起点