CN103281051A

CN103281051A - 一种快响应低漂移有源低通滤波器电路

Info

Publication number: CN103281051A
Application number: CN2013101941987A
Authority: CN
Inventors: 陈涤; 王圣英; 李贵民; 刘毅
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，包括有源低通滤波器基本节电路、电压跟随环路、衰减网络电路。实验仿真及实际应用表明，本发明具有实际工程应用价值。所述的低漂移有源低通滤波器基本节电路是滤波器的主体电路，它的运算放大器与主信道之间被电容隔开，因而运算放大器的直流失调和直流漂移信号与主信道信号隔离，具有信道低漂移特性；所述电压跟随电路，将主信道中的电压信号反馈至所述的基本节电路中，使得所述的基本节电路中电容的充放电时间大大缩短，从而提高滤波器的响应速度；所述衰减网络电路，通过电阻分压来调整环路增益，从而避免电压跟随电路正反馈所造成的自激振荡，可使滤波器响应速度和滤波特性达到综合最优。

Description

一种快响应低漂移有源低通滤波器电路

技术领域

本发明公开了一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，属于模拟滤波器的技术领域。

背景技术

滤波技术是信息处理领域中的关键技术之一，滤波器已成为信息处理、数据通信、仪器仪表、自动化控制等领域中不可或缺的组成部分。滤波器作为一门学科经历了从无源到有源，从分立到单片集成，从模拟到数字再到模拟的发展历程，其体积愈来愈小，成本愈来愈低，精度和可靠性大幅度提升。

模拟滤波器，有着悠久的历史、完整的理论和方法，是学习和研究数字滤波器的基础，数字滤波器所表达的网络特性、一些设计方法都源自模拟滤波器并借用模拟滤波器的方法。低通滤波器是模拟滤波器的基础，其他类型的滤波器（包括带通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器等）都可由低通滤波器变换得到，而且在实际的科学和生产活动中，大量的信息承载于低频微弱信号，为了实现噪声环境下低频信号的获取和处理，低通滤波器的研究与设计就显得尤为重要。单纯由R、L、C构成的滤波器称为无源滤波器，含有有源元件（受控电压源、电流源、特别是运算放大器等）的称为有源滤波器。因为无源RC滤波器只能实现极点在负实轴上且为单根的一类特殊传递函数，无法适应多样性的工程要求。与无源RC滤波器相比，采用有源放大器设计的有源低通滤波器，滤波性能更加优良，且更易于单片集成。因此，有源RC低通滤波器是最适宜也是研究最多的低频滤波系统。然而目前用直接综合、多节级联、多环反馈等方法实现的有源滤波器，由于有源器件直接串联在信道中，无一例外地会在信道中引入由有源器件产生的附加漂移，如温度漂移、直流失调等。在海洋监测、地质勘探、土建、生物医学和电化学等领域的低频微弱信号传感、检测系统和高准确度仪器仪表中，附加漂移是同噪声一样严重的问题，不容忽视。

为了实现更好的滤波效果，在抑制噪声的同时，还要考虑如何尽量少的引入有源器件的附加漂移。此外，在抑制附加漂移的情况下，还需要尽量提高滤波器系统的响应速度，以满足高实时性应用场合的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，以实现在抑制有源低通滤波器附加漂移的同时，缩短滤波器的响应时间，保证系统的滤波特性和响应速度。

本发明的技术方案在于：

一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，包括低漂移有源低通滤波器基本节电路、电压跟随电路和衰减网络电路；

如附图1所示：

所述低漂移有源低通滤波器基本节电路（以下简称基本节电路）中的运算放大器与主信道之间被电容隔开，因而运算放大器的直流失调和直流漂移信号与主信道信号隔离，具有信道低漂移特性；所述电压跟随电路，将主信道中的电压信号反馈至所述的基本节电路中，使得所述的基本节电路中电容的充放电时间大大缩短，从而提高滤波器的响应速度；所述衰减网络电路，通过电阻分压来调整环路增益。

根据本发明优选的，所述低漂移有源低通滤波器基本节电路包括具有以下连接关系的电路器件：电阻R1串接在主信道中，电容C1、电容C2的输入端相连R1的输出端，电容C1的输出端连接运算放大器A1的反向端，电容C2的输出端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2的输入端连接电容C1的输出端，电阻R3的输入端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2和电阻R3的输出端都连接YL(S)的输入端，YL(S)的输出端接地；所述YL(S)表示导纳，取YL(S)=0，则为一低通二阶节电路，取YL(S)=SC，则为一低通三阶节电路；所述低漂移有源低通滤波器基本节电路的传输函数为：H(S)=H₀{1+SR1(C1+C2)+S²R1C1C2[R2+R3+R2R3YL(S)]}^-1，其中，H₀=1。本发明所述快响应低漂移有源低通滤波器电路明显不同于其他有源低通滤波器的地方在于它的输出点在电阻R1输出端a处，而不是在运算放大器A1的输出端d处，运算放大器A1与主信道之间被电容C1、电容C2隔开，不在主信道中，从而其直流漂移和直流失调信号与主信道信号隔离，所以具有信道低漂移特性。

根据本发明优选的，为了简化电路设计，取C1=C2,R2=R3。

根据本发明优选的，所述电压跟随电路包括具有以下连接关系的电路器件：由运算放大器A2构成电压跟随器，运算放大器A2的同向端连接主信道输出端，运算放大器A2的反向端与运算放大器A2的输出端相连，运算放大器A2的输出端连接衰减网络电路的输入端。此处设计的优点在于，所述电压跟随电路的主要作用是将主信道中的电压信号反馈至所述的基本节电路中运算放大器A1的同向端，使得电容C1、电容C2输出端c、d的电压信号跟随其输入端a的电压信号的变化，从而使得所述基本节电路中电容C1、电容C2的充放电时间大大缩短，以提高滤波器响应速度.

根据本发明优选的，所述衰减网络电路包括电阻R1^*、电阻R2^*、电阻R3^*和电容C^*，所述电阻R2^*与电阻R3^*串联，所述电阻R2^*与电阻R3^*整体与电容C^*并联，然后其输出端接地，其输入端与电阻R1^*的输出端连接，所述电阻R1^*的输入端连接电压跟随电路的输出端，所述电阻R2^*的输出端连接所述基本节电路中运算放大器A1的正向端。此处设计的优点在于，在采用跟随电路之后，带来的一个问题是使环路构成了正反馈，即满足了自激的相位条件，只要环路的幅度增益K>1，就可能发生自激振荡。所以本发明引入该衰减网络，通过电阻R3^*的分压来调整环路增益，从而破坏自激振荡的条件。电容C^*作为高频旁路电容，能够提高其滤波效果。本发明定义衰减网络的电压传递比为B，则

通过调整电阻值，改变B，便可抑制自激振荡同时提高信号响应速度。电阻R2^*的存在，使得可以在保证该衰减网络的零极点分布不变的条件下，单独调整电压传递比B，从而使滤波器的响应速度和滤波特性达到综合最优。电压传递比B的具体取值可以结合具体电路进行传递函数分析和实验来确定。衰减网络元器件参数值的选择建议：

(1)考虑放大器的等效输入噪声，衰减网络中的电阻取值不宜过大（KΩ量级）；

(2)考虑到大电容的体积，分布电感和吸附效应，电容值不宜取太大（C^*<1uF）。

本发明的优势在于：

本发明通过有源低通滤波器基本节电路、电压跟随环路、衰减网络电路三部分电路的有效结合，组成快响应低漂移有源低通滤波器电路，电路设计有效可行，既具有低漂移特性，又具有较高的信号响应速度。实验仿真及实际应用表明，本发明是一种有效可行的模拟滤波器电路设计方案，具有实际工程应用价值。

所述的低漂移有源低通滤波器基本节电路是滤波器的主体电路，它的运算放大器与主信道之间被电容隔开，因而运算放大器的直流失调和直流漂移信号与主信道信号隔离，具有信道低漂移特性；所述电压跟随电路，将主信道中的电压信号反馈至所述的基本节电路中，使得所述的基本节电路中电容的充放电时间大大缩短，从而提高滤波器的响应速度；所述衰减网络电路，通过电阻分压来调整环路增益，从而避免电压跟随电路正反馈所造成的自激振荡，可使滤波器响应速度和滤波特性达到综合最优。

附图说明

图1本发明所述快响应低漂移有源低通滤波器的电路结构图；

在图1中，1、低漂移有源低通滤波器基本节电路；2、电压跟随电路；3、衰减网络电路；

图2是图1中所述低漂移有源低通滤波器基本节电路的结构图；

图3二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器的电路结构图；

图4二阶低漂移有源低通滤波器的阶跃信号响应曲线图；

图5二阶快响应低漂移有源低通滤波器的阶跃信号响应曲线图；

图6二阶低漂移有源低通滤波器的附加漂移特性图；

图7二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器的附加漂移特性图；

图8二阶低漂有源低通移滤波器的温度漂移特性图；

图9二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器的温度漂移特性图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

所述低漂移有源低通滤波器基本节电路中的运算放大器与主信道之间被电容隔开，因而运算放大器的直流失调和直流漂移信号与主信道信号隔离，具有信道低漂移特性；所述电压跟随电路，将主信道中的电压信号反馈至所述的基本节电路中，使得所述的基本节电路中电容的充放电时间大大缩短，从而提高滤波器的响应速度；所述衰减网络电路，通过电阻分压来调整环路增益。

所述低漂移有源低通滤波器基本节电路包括具有以下连接关系的电路器件：电阻R1串接在主信道中，电容C1、电容C2的输入端相连R1的输出端，电容C1的输出端连接运算放大器A1的反向端，电容C2的输出端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2的输入端连接电容C1的输出端，电阻R3的输入端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2和电阻R3的输出端都连接YL(S)的输入端，YL(S)的输出端接地；所述YL(S)表示导纳，取YL(S)=0，则为一低通二阶节电路，取YL(S)=SC，则为一低通三阶节电路。为了简化电路设计，取C1=C2,R2=R3。所述低漂移有源低通滤波器基本节电路的传输函数为：

H(S)=H₀{1+SR1(C1+C2)+S²R1C1C2[R2+R3+R2R3YL(S)]}^-1，其中，H₀=1。

所述电压跟随电路包括具有以下连接关系的电路器件：由运算放大器A2构成电压跟随器，运算放大器A2的同向端连接主信道输出端，运算放大器A2的反向端与运算放大器A2的输出端相连，运算放大器A2的输出端连接衰减网络电路的输入端。

所述衰减网络电路包括电阻R1^*、电阻R2^*、电阻R3^*和电容C^*，所述电阻R2^*与电阻R3^*串联，所述电阻R2^*与电阻R3^*的整体与电容C^*并联，然后其输出端接地，其输入端与电阻R1^*的输出端连接，所述电阻R1^*的输入端连接电压跟随电路的输出端，所述电阻R2^*的输出端连接所述基本节电路中运算放大器A1的正向端。

在低频微弱信号传感、检测系统和高准确度仪器仪表中，由系统中有源低通滤波器的有源器件引入的附加漂移将会对系统信号产生严重干扰，同时，系统中滤波器的信号响应速度也是影响系统实时性的重要因素。

本发明通过将有源器件与主信道隔离，使其附加漂移与主信道信号隔离，从而具有低漂移特性；电压跟随电路提高了滤波器的信号响应速度，衰减网络使得整个滤波器电路稳定不自激，从而可使滤波器响应速度和滤波特性达到综合最优。本发明提出的快响应低漂移有源低通滤波器电路设计方案在模拟滤波器设计领域具有实际应用价值。

下面设计一个低通滤波器，并借助Pspice仿真工具，考察本发明中快响应低漂移有源低通滤波器的性能。要求该滤波器在通带内具有最大平坦段，其3dB边界频率为f_c=5Hz，且在f_s=50Hz工频噪声干扰点具有大于40dB的衰减。

根据所要求的滤波器指标和性能，需要设计一个二阶巴特沃兹有源低通滤波器。采用低漂移有源低通滤波器基本节电路来具体实现，元器件值为R1=R2=R3=100KΩ,C1=C2=0.22519uF。若采用传统Sallen-Key有源低通滤波器电路来实现，则相应的元器件值为R1=R2=70.71KΩ，C1=0.31847uF，C2=0.63694uF，R3=0Ω，如附图3所示。

仿真输入信号为2V阶跃信号，采用uA741运算放大器。当2V阶跃信号通过低漂移有源低通滤波器（附图2）时，其信号响应如附图4所示，电路响应时间为106.136ms；当2V阶跃信号通过快响应低漂移有源低通滤波器（附图1）时，其信号响应如附图5所示，信号响应时间为70.072ms。可见，通过使用电压跟随电路和衰减网络电路，并对衰减网络元件值进行优化选取（

），信号响应速度显著提升，且具有良好的幅频特性。

另外，我们将滤波器的输入端接地，对二阶低漂移有源低通滤波器与二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器进行了附加漂移特性分析比较和温度漂移特性分析比较，电路都采用uA741运算放大器。

在附加漂移特性分析比较中，我们在运算放大器的同向端加入幅度为10mv，频率为0.05Hz的单频小信号，以模拟运算放大器的失调和漂移，在滤波器输出端测得的结果分别如附图6和附图7所示。由仿真结果可见，二阶低漂移有源低通滤波器在滤波器主信道输出端几乎监测不到信号变化，证实了该滤波器有效抑制运放失调和漂移的低漂移特性；而二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器在输出端监测到明显的漂移信号。

在温度漂移特性分析比较中，我们设定温度从-20℃均匀变化到40℃，以确定电子元器件的温度漂移对滤波器的影响，在滤波器输出端测得的结果结果分别如附图8和附图9所示。由仿真结果可见，二阶低漂移有源低通滤波器中，温度漂移几乎不会对滤波器的性能造成影响；而二阶传统Sallen-Key有源低通滤波器受元器件温度漂移的影响较大。

由上面的分析可知本发明的快响应低漂移有源低通滤波器，既满足信道低漂移的要求，又具有较高的信号响应速度，且电路设计简单，是一种有效可行的有源模拟滤波器设计方案，具有实际的工程应用价值。

Claims

1.一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，该电路包括低漂移有源低通滤波器基本节电路、电压跟随电路和衰减网络电路；

2.根据权利要求1所述的一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，所述低漂移有源低通滤波器基本节电路包括具有以下连接关系的电路器件：电阻R1串接在主信道中，电容C1、电容C2的输入端相连R1的输出端，电容C1的输出端连接运算放大器A1的反向端，电容C2的输出端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2的输入端连接电容C1的输出端，电阻R3的输入端连接运算放大器A1的输出端，电阻R2和电阻R3的输出端都连接YL(S)的输入端，YL(S)的输出端接地；所述YL(S)表示导纳，取YL(S)=0，则为一低通二阶节电路，取YL(S)=SC，则为一低通三阶节电路；所述低漂移有源低通滤波器基本节电路的传输函数为：H(S)=H₀{1+SR1(C1+C2)+S²R1C1C2[R2+R3+R2R3YL(S)]}^-1，其中，H₀=1。

3.根据权利要求2所述的一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，为了简化电路设计，取C1=C2,R2=R3。

4.根据权利要求1所述的一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括具有以下连接关系的电路器件：由运算放大器A2构成电压跟随器，运算放大器A2的同向端连接主信道输出端，运算放大器A2的反向端与运算放大器A2的输出端相连，运算放大器A2的输出端连接衰减网络电路的输入端。

5.根据权利要求1所述的一种快响应低漂移有源低通滤波器电路，其特征在于，所述衰减网络电路包括电阻R1^*、电阻R2^*、电阻R3^*和电容C^*，所述电阻R2^*与电阻R3^*串联，所述电阻R2^*与电阻R3^*整体与电容C^*并联，然后其输出端接地，其输入端与电阻R1^*的输出端连接，所述电阻R1^*的输入端连接电压跟随电路的输出端，所述电阻R2^*的输出端连接所述基本节电路中运算放大器A1的正向端。