CN111478681B - 模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路 - Google Patents

模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟复合滤波电路的设计方法及滤波电路，所述方法包括从多个滤波类型中启用一个或多个滤波类型，确定启用的滤波类型的目标滤波特性参数；基于启用的滤波类型形成对应的模拟滤波电路，所述模拟滤波电路包括共用电阻、共用运算放大器、对应滤波类型的由电阻和/或电容形成的组合电路；基于所述目标滤波特性参数，计算得到所述模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值。本发明适合听觉频率带内的模拟滤波器设计，简化设计流程、方便调整的同时保证滤波电路的稳定性。

Description

模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路
技术领域
本发明属于滤波电路技术领域，具体涉及一种模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路。
背景技术
现有技术中的模拟降噪设计所需的目标滤波器可以通过标准的测试及计算方法获得，但如何通过设计计算用电路器件来实现目标滤波器却没有较好的算法，工程师一般需要进行非常多的电路尝试才能逼近目标滤波器，耗时长且误差大。
主动降噪电路一般需要复杂的滤波形状，滤波电路实现之后需要大量的模拟器件实现，受限于模拟器件的一致性差异，最终电路的累计误差会非常大，设计阶段工程师需要花费长时间对每个电路进行调整。
产品量产后的模拟器件的累积误差大，导致产品性能一致性差，产品质量难以保证。
通过基于数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)实现的数字滤波器可以解决模拟器件误差导致的产品性能一致性问题，但数字电路不可避免的会引入10-40ms的延迟，使最终滤波信号与目标信号的相位匹配度变差，导致产品降噪性能下降、电路稳定性降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路，选用电阻、电容、共用运算放大器作为电路的核心器件，使其可利用集成电路设计方法集成在芯片内部，实现模拟滤波电路微体积、低功耗、多功能、可调整、零延时的功能。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种模拟复合滤波电路的设计方法，包括：
从多个滤波类型中启用一个或多个滤波类型，确定启用的滤波类型的目标滤波特性参数；
基于启用的滤波类型形成对应的模拟滤波电路，所述模拟滤波电路包括共用电阻、共用运算放大器、对应滤波类型的由电阻和/或电容形成的组合电路；
基于所述目标滤波特性参数，计算得到所述模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值。
可选地，所述多个滤波类型包括带通增强复合滤波、低频增强滤波、高频增强滤波及低通滤波；
所述带通增强复合滤波的滤波特性参数包括：低频增益、高频增益、峰值增益、中心频率；
所述低频增强滤波的滤波特性参数包括低频增益、高频增益和截止频率；
所述高频增强滤波的滤波特性参数包括高频增益和截止频率；
所述低通滤波的滤波特性参数包括滤波阶次和截止频率。
可选地，所述带通增强复合滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，以及与所述共用电阻顺次串联的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻和第二电阻，以及第三电阻和第三电容，所述第三电容的一端与所述第一电阻和第二电阻的连接点相连，另一端与所述第三电阻的一端相连；所述第三电阻的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻、第一电容和第二电容，以及第五电阻，所述第四电阻上远离第一电容的一端与所述第一电阻相连；所述第五电阻的一端与所述第一电容和第二电容的连接点相连，另一端接地；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；
所述低频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，以及与所述共用电阻顺次串联的第三支路、第四支路和第六支路；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻；所述第七电容的一端与所述第七电阻的一端相连，另一端与所述第十一电阻相连；所述第十一电阻的另一端与所述第七电阻的另一端相连；
所述高频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻并联的第五支路，以及与所述共用电阻串联的第三支路和第四支路；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第五支路包括第四电容和第八电阻，所述第四电容的一端与所述共用电阻的一端相连，另一端与所述第八电阻的一端相连，所述第八电阻的另一端与所述共用电阻的另一端相连；
所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻串联的第三支路、第四支路和第七支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻并联，构成一阶低通滤波电路；
或者所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻串联的第三支路和第八支路，所述第三支路包括共用运算放大器与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻，共用运算放大器的输入负极接地，共用运算放大器的输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻还与所述共用电阻相连；所述第八支路包括第十电阻、第五电容和第六电容；所述第十电阻的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端接地，构成二阶低通滤波电路。
可选地，根据如下公式计算得到带通增强复合滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain1＝R7/Ra
gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra
gain3＝(R4|R7)/Ra
f1＝2*π*R1*C1
式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻的阻值；R2为第二电阻的电阻值；R4为第四电阻的电阻值；R7为第七电阻的电阻值；Ra为共用电阻的电阻值；C1为第一电容的电容值；
根据如下公式计算得到低频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain4＝Ra/R7
gain5＝(R7|R11)/Ra
f2＝2*π*R11*C7
式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；R11为第十一电阻的电阻值；
根据如下公式计算得到高频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain6＝R7/Ra
gain7＝R7/(Ra|R1)
f3＝2*π*R1*C1
式中，gain6为低频增益，gain7为高频增益，f3为截止频率；
当低通滤波电路为一阶低通滤波电路时，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain8＝R7/Ra
f4＝2*π*R7*C8
式中，gain8为低频增益，f4为截止频率；C8为第八电阻的电阻值；
当低通滤波电路为二阶低通滤波电路时，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
式中，H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，f5为截止频率，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，C6＝n*C5＝C，R6＝R10＝2*R9＝R，Q为品质因子。
可选地，在启用了多个滤波类型时，各滤波类型对应的组合电路共用所述共用电阻和第三支路。
第二方面，本发明提供了一种模拟复合滤波电路，包括：
串联的共用电阻和第三支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；以及
带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路和高频增强滤波组合电路；
其中，带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路、低频增强滤波组合电路中的一个或多个能够被选择的启用，被启用的组合电路内的电阻的电阻值和/或电容的电容值可调整。
可选地，所述带通增强复合滤波组合电路包括：与所述共用电阻顺次串联的第一支路、第二支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻和第二电阻，以及第三电阻和第三电容，所述第三电容的一端与所述第一电阻和第二电阻的连接点相连，另一端与所述第三电阻的一端相连；所述第三电阻的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻、第一电容和第二电容，以及第五电阻，所述第四电阻上远离第一电容的一端与所述第一电阻相连；所述第五电阻的一端与所述第一电容和第二电容的连接点相连，另一端接地；所述第四支路包括第七电阻。
可选地，根据如下公式计算得到带通增强复合滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain1＝R7/Ra
gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra
gain3＝(R4|R7)/Ra
f1＝2*π*R1*C1
式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻的阻值；R2为第二电阻的电阻值；R4为第四电阻的电阻值；R7为第七电阻的电阻值；Ra为共用电阻的电阻值；C1为第一电容的电容值。
可选地，所述低频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻顺次串联的第四支路和第六支路；所述第四支路包括第七电阻；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻；所述第七电容的一端与所述第七电阻的一端相连，另一端与所述第十一电阻相连；所述第十一电阻的另一端与所述第七电阻的另一端相连。
可选地，根据如下公式计算得到低频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain4＝Ra/R7
gain5＝(R7|R11)/Ra
f2＝2*π*R11*C7
式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；R11为第十一电阻的电阻值。
可选地，所述高频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻并联的第五支路，以及与所述共用电阻串联的第四支路；所述第四支路包括第七电阻；所述第五支路包括第四电容和第八电阻，所述第四电容的一端与所述共用电阻的一端相连，另一端与所述第八电阻的一端相连，所述第八电阻的另一端与所述共用电阻的另一端相连。
可选地，根据如下公式计算得到高频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain6＝R7/Ra
gain7＝R7/(Ra|R1)
f3＝2*π*R1*C1
式中，gain6为低频增益，gain7为高频增益，f3为截止频率。
可选地，所述低通滤波组合电路包括与所述共用电阻串联的第四支路和第七支路，所述第四支路包括第七电阻；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻并联；或者低通滤波组合电路，其包括与所述共用电阻串联的第八支路，所述第三支路还包括与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻还与所述共用电阻相连；所述第八支路包括第十电阻、第五电容和第六电容；所述第十电阻的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端接地，构成一阶低通滤波电路。
可选地，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain8＝R7/Ra
f4＝2*π*R7*C8
式中，gain8为低频增益，f4为截止频率；C8为第八电阻的电阻值。
可选地，所述低通滤波组合电路；其包括与所述共用电阻串联的第四支路和第七支路，所述第四支路包括第七电阻；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻并联；或者低通滤波组合电路，其包括与所述共用电阻串联的第八支路，所述第三支路还包括与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻还与所述共用电阻相连；所述第八支路包括第十电阻、第五电容和第六电容；所述第十电阻的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端接地，构成二阶低通滤波电路。
可选地，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
式中，H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，f5为截止频率，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，C6＝n*C5＝C，R6＝R10＝2*R9＝R，Q为品质因子。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提出一种模拟复合滤波电路的设计方法及模拟滤波电路，选用电阻、电容、共用运算放大器作为电路的核心器件，使其可利用集成电路设计方法集成在芯片内部，实现模拟滤波电路微体积、低功耗、多功能、可调整、零延时的功能，且本发明的模拟复合滤波电路的滤波中心频率带控制在20-20kHz，滤波幅值控制在-10dB～+20dB，使其适合听觉频率带内的模拟滤波器设计，简化设计流程、方便调整的同时保证滤波电路的稳定性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1(a)为带通增强复合滤波电路的电路示意图；
图1(b)为仿真计算后带通增强复合滤波电路在20-20kHz滤波结果示意图；
图1(c)为带通增强复合滤波电路中R5调整为11k时滤波结果示意图；
图1(d)为带通增强复合滤波电路中心频率带调整为2000Hz滤波结果示意图；
图2(a)为高频增强滤波电路的电路示意图；
图2(b)为高频增强滤波电路中计算机软件控制界面；
图3(a)为低频增强滤波电路的电路示意图；
图3(b)为低频增强滤波电路中计算机软件控制界面；
图4为低通滤波电路的电路示意图之一；
图5为低通滤波电路的电路示意图之二；
图6为模拟复合滤波电路的电路示意图；
图7为模拟复合滤波电路的电路的串联设计示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例中提供了一种模拟复合滤波电路的设计方法，包括以下步骤：
从多个滤波类型中启用一个或多个滤波类型，确定启用的滤波类型的目标滤波特性参数；
基于启用的滤波类型形成对应的模拟滤波电路，所述模拟滤波电路包括共用电阻、共用运算放大器、对应滤波类型的由电阻和/或电容形成的组合电路；
基于所述目标滤波特性参数，计算得到所述模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述多个滤波类型包括带通增强复合滤波、低频增强滤波、高频增强滤波及低通滤波；
所述带通增强复合滤波的滤波特性参数包括：低频增益、高频增益、峰值增益、中心频率；
所述低频增强滤波的滤波特性参数包括低频增益、高频增益和截止频率；
所述高频增强滤波的滤波特性参数包括高频增益和截止频率；
所述低通滤波的滤波特性参数包括滤波阶次和截止频率。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图1(a)所示，所述带通增强复合滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻Ra，以及与所述共用电阻Ra顺次串联的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻R1R1和第二电阻R2，以及第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电容C3的一端与所述第一电阻R1R1和第二电阻R2的连接点相连，另一端与所述第三电阻R3的一端相连；所述第三电阻R3的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，以及第五电阻R5，所述第四电阻R4上远离第一电容C1的一端与所述第一电阻R1R1相连；所述第五电阻R5的一端与所述第一电容C1和第二电容C2的连接点相连，另一端接地；所述第三支路包括共用运算放大器OP1B，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻R7；
根据如下公式计算得到带通增强复合滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain1＝R7/Ra
gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra
gain3＝(R4|R7)/Ra
f1＝2*π*R1*C1
式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻R1R1的阻值；R2为第二电阻R2的电阻值；R4为第四电阻R4的电阻值；R7为第七电阻R7的电阻值；Ra为共用电阻Ra的电阻值；C1为第一电容C1的电容值。
如图3(a)所示，所述低频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻Ra，以及与所述共用电阻Ra顺次串联的第三支路、第四支路和第六支路；所述第三支路包括共用运算放大器OP1B，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻R7；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻R11；所述第七电容的一端与所述第七电阻R7的一端相连，另一端与所述第十一电阻R11相连；所述第十一电阻R11的另一端与所述第七电阻R7的另一端相连；
根据如下公式计算得到低频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain4＝Ra/R7
gain5＝(R7|R11)/Ra
f2＝2*π*R11*C7
式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；R11为第十一电阻R11的电阻值。
如图2(a)所示，所述高频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻Ra，还包括与所述共用电阻Ra并联的第五支路，以及与所述共用电阻Ra串联的第三支路和第四支路；所述第三支路包括共用运算放大器OP1B，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻R7；所述第五支路包括第四电容和第八电阻R8，所述第四电容的一端与所述共用电阻Ra的一端相连，另一端与所述第八电阻R8的一端相连，所述第八电阻R8的另一端与所述共用电阻Ra的另一端相连；
根据如下公式计算得到高频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain6＝R7/Ra
gain7＝R7/(Ra|R1)
f3＝2*π*R1*C1
式中，gain6为低频增益，gain7为高频增益，f3为截止频率。
如图4所示，所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻Ra，还包括与所述共用电阻Ra串联的第三支路、第四支路和第七支路，所述第三支路包括共用运算放大器OP1B，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻R7；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻R7并联，构成二阶低通滤波电路。
根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain8＝R7/Ra
f4＝2*π*R7*C8
式中，gain8为低频增益，f4为截止频率；C8为第八电阻R8的电阻值。
如图5所示，在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻Ra，还包括与所述共用电阻Ra串联的第三支路和第八支路，所述第三支路包括共用运算放大器OP1B与所述共用运算放大器OP1B的输入正极相连的第九电阻R9，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻R9还与所述共用电阻Ra相连；所述第八支路包括第十电阻R10、第五电容和第六电容；所述第十电阻R10的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器OP1B的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻R9和共用运算放大器OP1B的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器OP1B的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端接地，构成二阶低通滤波电路。
当低通滤波电路为二阶低通滤波电路时，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟
滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
式中，H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，f5为截止频率，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，C6＝n*C5＝C，R6＝R10＝2*R9＝R，Q为品质因子。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，在启用了多个滤波类型时，各滤波类型对应的组合电路共用所述共用电阻Ra和第三支路。
实施例2
如图6所示，本发明实施例中提供了一种模拟复合滤波电路，包括：
串联的共用电阻和第三支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；以及
带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路和高频增强滤波组合电路；
其中，带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路、低频增强滤波组合电路中的一个或多个能够被选择的启用，被启用的组合电路内的电阻的电阻值和/或电容的电容值可调整。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述带通增强复合滤波组合电路包括：与所述共用电阻Ra顺次串联的第一支路、第二支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻R1R1和第二电阻R2，以及第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电容C3的一端与所述第一电阻R1R1和第二电阻R2的连接点相连，另一端与所述第三电阻R3的一端相连；所述第三电阻R3的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，以及第五电阻R5，所述第四电阻R4上远离第一电容C1的一端与所述第一电阻R1R1相连；所述第五电阻R5的一端与所述第一电容C1和第二电容C2的连接点相连，另一端接地；所述第四支路包括第七电阻R7，具体参见图1(a)；
所述低频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻Ra顺次串联的第四支路和第六支路；所述第四支路包括第七电阻R7；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻R11；所述第七电容的一端与所述第七电阻R7的一端相连，另一端与所述第十一电阻R11相连；所述第十一电阻R11的另一端与所述第七电阻R7的另一端相连，具体参见图3(a)；
所述高频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻Ra并联的第五支路，以及与所述共用电阻Ra串联的第四支路；所述第四支路包括第七电阻R7；所述第五支路包括第四电容和第八电阻R8，所述第四电容的一端与所述共用电阻Ra的一端相连，另一端与所述第八电阻R8的一端相连，所述第八电阻R8的另一端与所述共用电阻Ra的另一端相连，具体参见图3(2)：
所述低通滤波组合电路包括与所述共用电阻Ra串联的第四支路和第七支路，所述第四支路包括第七电阻R7；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻R7并联，具体参见图4；或者低通滤波组合电路，其包括与所述共用电阻Ra串联的第八支路，所述第三支路还包括与所述共用运算放大器OP1B的输入正极相连的第九电阻R9，所述共用运算放大器OP1B的输入正极连接所述共用电阻Ra，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻R9还与所述共用电阻Ra相连；所述第八支路包括第十电阻R10、第五电容和第六电容；所述第十电阻R10的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器OP1B的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻R9和共用运算放大器OP1B的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器OP1B的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端接地，构成一阶低通滤波电路具体参见图5。
对于带通增强复合滤波组合电路，其输入电压INPUT为u0，输出电压OUTPUT为u1，电路为反向放大电路。本发明实施例中模拟复合滤波电路的低频段忽略电容影响电容阻值视为无限大，等效传递函数高频段电容阻值视为0，等效传递函数滤波器峰值增益gain1＝R7/Ra，低频增益gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra，高频增益gain3＝(R4|R7)/Ra。简化计算设计过程中可令R1＝R2＝2*R4，C1＝C2＝0.5*C3，滤波器中心频率f1＝2*π*R1*C1，式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻R1的阻值；R2为第二电阻的电阻值；R4为第四电阻的电阻值；R7为第七电阻的电阻值；Ra为共用电阻Ra的电阻值；C1为第一电容的电容值；C2为第二电容的电容值；C3为第三电容的电容值。
下面通过1个示例详细说明带通增强复合滤波电路在实际工程中的应用。工程应用中计算过程可用计算机取代。用户可以选择滤波器中心频率f＝1000Hz，低频增益gain＝0，高频增益gain＝0，中心频率带峰值增益为6dB，取R1＝15k，则C1＝f/(2*π*R1)≈33nf，C3＝33n，R4＝7.5k，R5＝30k，R3＝0。仿真计算后滤波器在20-20kHz滤波结果参见图1(b)。
用户可在此基础上对滤波器做出便捷调整，控制R5电阻阻值可调整滤波器高频部分衰减增益，R5调整为11k时滤波结果参见图1(c)。
调整C1、C2、C3电容的容值可改变滤波器中心频率带，例如C1＝C2＝0.5*C3＝8.2nf，滤波器中心频率带调整为2000Hz，滤波结果参见图1(d)。
同样用户可通过改变电阻Ra、R7阻值即可方便调整滤波器的峰值增益，调整R3阻值可改变滤波器增益带宽。
以上计算过程均可通过计算机软件算法实现，对电路设计不熟悉的工程师可通过计算机软件程序便捷操作得到自己想要的滤波器结构。计算机软件控制界面设计可如下图所示，用户可通过调整软件滑块位置、输入数值等方式调整滤波器对应的参数值，软件可实时计算出的滤波电路参数并输出结果，实现模拟电路的快速设计及调整。用户可通过启用选择框选择是否启用该滤波器，滤波器未启用状态下R1、R2、R3、R4、C1、C2、C3设置为悬空便不会影响电路其他滤波电路的滤波特性。
对于高频增强滤波组合电路，如图2(a)所示，所述模拟复合滤波电路还包括第五支路，所述第五支路包括第四电容C4和第八电阻R8，所述第四电容C4的一端与所述共用电阻Ra的一端相连，另一端与所述第八电阻R8的一端相连，所述第八电阻R8的另一端与所述共用电阻Ra的另一端相连。
当所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值为无限大或断开；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的容值为0pf或断开，所述模拟复合滤波电路为高频增强滤波电路。
下面通过1个示例详细说明高频增强滤波电路在实际工程中的应用。为计算方便，固定R1＝R2＝20k，电路在低频部分增益gain6＝R7/Ra，高频部分增益gain7＝R7/(Ra|R1)，3dB截止频率f3＝2*π*R1*C1。式中，gain6、gain7、f3三个值由工程师自定义，由此实现滤波器增益及频率可调整。式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；R11为第十一电阻的电阻值
以上计算过程均可通过计算机软件算法实现，对电路设计不熟悉的工程师可通过计算机软件程序便捷操作得到自己想要的滤波器结构。计算机软件控制界面设计可如图2(b)所示，用户可通过调整输入数值等方式调整滤波器对应的参数值，软件可实时计算出的滤波电路参数并输出结果，实现模拟电路的快速设计及调整。用户可通过启用选择框选择是否启用该滤波器，滤波器未启用状态下C1、R1设置为悬空便不会影响电路其他滤波电路的滤波特性。
对于低频增强滤波组合电路，如图3(a)所示，所述模拟复合滤波电路还包括第六支路，所述第六支路包括第七电容C7和第十一电阻R11；所述第七电容C7的一端与所述第七电阻R7的一端相连，另一端与所述第十一电阻R11相连；所述第十一电阻R11的另一端与所述第七电阻R7的另一端相连。
当所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值为无限大或断开；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的容值为0pf或断开，所述模拟复合滤波电路为低频增强滤波电路。
下面通过1个示例详细说明低频增强滤波电路在实际工程中的应用。为计算时固定Ra阻值为20k，固定R7＝R3，电路在低频增益gain4＝Ra/R7，高频增益gain5＝(R7|R11)/Ra，3dB截止频率f2＝2*π*R11*C7。gain4、gain5、f2三个值由工程师自定义，由此实现滤波器增益及频率可调整。
以上计算过程均可通过计算机软件算法实现，对电路设计不熟悉的工程师可通过计算机软件程序便捷操作得到自己想要的滤波器结构。计算机软件控制界面设计如图3(b)所示，用户可通过调整输入数值等方式调整滤波器对应的参数值，软件可实时计算出的滤波电路参数并输出结果，实现模拟电路的快速设计及调整。用户可通过启用选择框选择是否启用该滤波器，滤波器未启用状态下C2电容及R4电阻设置为悬空便不会影响电路其他滤波电路的滤波特性。
对于低通滤波组合电路，如图4所示，所述模拟复合滤波电路还包括第七支路，所述第七支路包括第八电容C8，所述第八电容C8与所述第七电阻R7并联。
当所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值为无限大或断开；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的容值为0pf或断开，所述模拟复合滤波电路为一阶低通滤波电路。
下面通过1个示例详细说明一阶低通滤波电路在实际工程中的应用。为计算方便，固定R1＝20k，系统低频增益gain8＝R7/Ra,3dB截止频率f4＝2*π*R7*C8，3dB截止频率由工程师自定义，由此实现滤波器截止频率可调整。一阶低通滤波器未启用状态下只需设置C8电容悬空即可，不会影响其他滤波电路的滤波特性。
如图5所示，在本发明实施例的另一种具体实施方式中，对于低通滤波组合电路，还可以是：所述第三支路还包括与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻R9，所述第九电阻R9还与所述共用电阻Ra相连；
所述模拟复合滤波电路还包括第八支路，所述第八支路包括第九电阻R10、第五电容C5和第六电容C6；所述第九电阻R10的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容C5的一端与所述第九电阻R9和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容C6的一端与所述第九电阻R9和共用电阻Ra的连接点相连，另一端接地。
当所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值为无限大或断开；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的容值为0pf或断开，所述模拟复合滤波电路为二阶低通滤波电路。
下面通过1个示例详细说明二阶低通滤波电路在实际工程中的应用。电路为无限增益多路反馈有源滤波器。系统传递函数简化设计中为计算方便，设置电容C5容值为4.7nf，令R6＝R10＝2*R9＝R，C6＝n*C5＝C，系统截止频率/>品质因子/>f、Q值由用户指定后，即可计算出Ra、R9、R10、C6值。计算过程也可由计算机软件代替。H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，Q为品质因子
在实际应用过程中，如图7所示，可以将本发明实施例中的滤波电路串联使用，在更多的情况下，工程师可选择多级串联或并联使用本发明实施例中提供的模拟滤波电路设计方法进行复杂滤波器设计。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (15)

1.一种模拟复合滤波电路的设计方法，其特征在于，包括：
从多个滤波类型中启用一个或多个滤波类型，确定启用的滤波类型的目标滤波特性参数；
基于启用的滤波类型形成对应的模拟滤波电路，所述模拟滤波电路包括共用电阻、共用运算放大器、对应滤波类型的由电阻和/或电容形成的组合电路；
基于所述目标滤波特性参数，计算得到所述模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值；
所述多个滤波类型包括带通增强复合滤波、低频增强滤波、高频增强滤波及低通滤波；所述带通增强复合滤波的滤波特性参数包括：低频增益、高频增益、峰值增益、中心频率；
所述低频增强滤波的滤波特性参数包括低频增益、高频增益和截止频率；
所述高频增强滤波的滤波特性参数包括高频增益和截止频率；
所述低通滤波的滤波特性参数包括滤波阶次和截止频率。
2.根据权利要求1所述的一种模拟复合滤波电路的设计方法，其特征在于：所述带通增强复合滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，以及与所述共用电阻相连的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻和第二电阻，以及第三电阻和第三电容，所述第三电容的一端与所述第一电阻和第二电阻的连接点相连，另一端与所述第三电阻的一端相连；所述第三电阻的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻、第一电容和第二电容，以及第五电阻，所述第四电阻上远离第一电容的一端与所述第一电阻相连；所述第五电阻的一端与所述第一电容和第二电容的连接点相连，另一端接地；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；
所述低频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，以及与所述共用电阻相连的第三支路、第四支路和第六支路；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻；所述第七电容的一端与所述第七电阻的一端相连，另一端与所述第十一电阻相连；所述第十一电阻的另一端与所述第七电阻的另一端相连；
所述高频增强滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻并联的第五支路，以及与所述共用电阻相连的第三支路和第四支路；所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第五支路包括第四电容和第八电阻，所述第四电容的一端与所述共用电阻的一端相连，另一端与所述第八电阻的一端相连，所述第八电阻的另一端与所述共用电阻的另一端相连；
所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻相连的第三支路、第四支路和第七支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻并联，构成一阶低通滤波电路；
或者所述低通滤波对应的模拟滤波电路包括：共用电阻，还包括与所述共用电阻相连的第三支路和第八支路，所述第三支路包括共用运算放大器与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻，共用运算放大器的输入负极接地，共用运算放大器的输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻还与所述共用电阻相连；所述第八支路包括第十电阻、第五电容和第六电容；所述第十电阻的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端接地，构成二阶低通滤波电路；
所述第二电阻、第二电容、第七电阻、第十一电阻、第八电容的另一端与所述运算放大器的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种模拟复合滤波电路的设计方法，其特征在于：根据如下公式计算得到带通增强复合滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain1＝R7/Ra
gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra
gain3＝(R4|R7)/Ra
f1＝2*π*R1*C1
式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻的阻值；R2为第二电阻的电阻值；R4为第四电阻的电阻值；R7为第七电阻的电阻值；Ra为共用电阻的电阻值；C1为第一电容的电容值；
根据如下公式计算得到低频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain4＝Ra/R7
gain5＝(R7|R11)/Ra
f2＝2*π*R11*C7
式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；R11为第十一电阻的电阻值；
根据如下公式计算得到高频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain6＝R7/Ra
gain7＝R7/(Ra|R1)
f 3＝2*π*R1*C1
式中，gain6为低频增益，gain7为高频增益，f3为截止频率；
当低通滤波电路为一阶低通滤波电路时，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain8＝R7/Ra
f4＝2*π*R7*C8
式中，gain8为低频增益，f4为截止频率；C8为第八电阻的电阻值；
当低通滤波电路为二阶低通滤波电路时，根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
式中，H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，f5为截止频率，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，C6＝n*C5＝C，R6＝R10＝2*R9＝R，Q为品质因子。
4.根据权利要求2所述的一种模拟复合滤波电路的设计方法，其特征在于：在启用了多个滤波类型时，各滤波类型对应的组合电路共用所述共用电阻和第三支路。
5.一种模拟复合滤波电路，其特征在于，包括：
串联的共用电阻和第三支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；以及
带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路、高频增强滤波组合电路和低通滤波组合电路；
其中，带通增强复合滤波组合电路、低频增强滤波组合电路、低频增强滤波组合电路、低通滤波组合电路中的一个或多个能够被选择的启用，被启用的组合电路内的电阻的电阻值和/或电容的电容值可调整；
各滤波类型对应的组合电路共用所述共用电阻和第三支路。
6.根据权利要求5所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：所述带通增强复合滤波组合电路包括：与所述共用电阻相连的第一支路、第二支路和第四支路；所述第一支路包括顺次串联的第一电阻和第二电阻，以及第三电阻和第三电容，所述第三电容的一端与所述第一电阻和第二电阻的连接点相连，另一端与所述第三电阻的一端相连；所述第三电阻的另一端接地；所述第二支路包括顺次串联的第四电阻、第一电容和第二电容，以及第五电阻，所述第四电阻上远离第一电容的一端与所述第一电阻相连；所述第五电阻的一端与所述第一电容和第二电容的连接点相连，另一端接地；所述第四支路包括第七电阻；
所述第二电阻的另一端与第二电容的另一端均与运算放大器的输出端相连。
7.根据权利要求6所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：根据如下公式计算得到带通增强复合滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain1＝R7/Ra
gain2＝((R1+R2)||R7)/Ra
gain3＝(R4|R7)/Ra
f1＝2*π*R1*C1
式中，gain1为峰值增益，gain2为低频增益；gain3为高频增益，f1为中心频率，R1为第一电阻的阻值；R2为第二电阻的电阻值；R4为第四电阻的电阻值；R7为第七电阻的电阻值；Ra为共用电阻的电阻值；C1为第一电容的电容值。
8.根据权利要求5所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：所述低频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻相连的第四支路和第六支路；所述第四支路包括第七电阻；所述第六支路包括第七电容和第十一电阻；所述第七电容的一端与所述第七电阻的一端相连，另一端与所述第十一电阻相连；所述第十一电阻的另一端与所述第七电阻的另一端相连；所述第七电阻的另一端和第十一电阻的另一端均与所述运算放大器的输出端相连。
9.根据权利要求8所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：根据如下公式计算得到低频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain4＝Ra/R7
gain5＝(R7|R11)/Ra
f2＝2*π*R11*C7
式中，gain4为低频增益，gain5为高频增益，f2为截止频率；C7为第七电容的电容值；
R11为第十一电阻的电阻值。
10.根据权利要求5所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：所述高频增强滤波组合电路包括：与所述共用电阻并联的第五支路，以及与所述共用电阻相连的第四支路；所述第四支路包括第七电阻，所述第七电阻上远离共用电阻的一端与所述运算放大器的输出端相连；所述第五支路包括第四电容和第八电阻，所述第四电容的一端与所述共用电阻的一端相连，另一端与所述第八电阻的一端相连，所述第八电阻的另一端与所述共用电阻的另一端相连。
11.根据权利要求10所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：根据如下公式计算得到高频增强滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain6＝R7/Ra
gain7＝R7/(Ra|R1)
f 3＝2*π*R1*C1
式中，gain6为低频增益，gain7为高频增益，f3为截止频率。
12.根据权利要求6所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：所述低通滤波组合电路包括共用电阻，还包括与所述共用电阻相连的第三支路、第四支路和第七支路，所述第三支路包括共用运算放大器，所述共用运算放大器的输入正极连接所述共用电阻，其输入负极接地，其输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第四支路包括第七电阻；所述第七支路包括第八电容，所述第八电容与所述第七电阻并联，构成一阶低通滤波电路。
13.根据权利要求12所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
gain8＝R7/Ra
f4＝2*π*R7*C8
式中，gain8为低频增益，f4为截止频率；C8为第八电阻的电阻值。
14.根据权利要求6所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：所述低通滤波组合电路包括共用电阻，还包括与所述共用电阻相连的第三支路和第八支路，所述第三支路包括共用运算放大器与所述共用运算放大器的输入正极相连的第九电阻，共用运算放大器的输入负极接地，共用运算放大器的输出端用作所述模拟复合滤波电路的输出端；所述第九电阻还与所述共用电阻相连；所述第八支路包括第十电阻、第五电容和第六电容；所述第十电阻的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第五电容的一端与所述第九电阻和共用运算放大器的连接点相连，另一端与所述共用运算放大器的输出端相连；所述第六电容的一端与所述第九电阻和共用电阻的连接点相连，另一端接地，构成二阶低通滤波电路。
15.根据权利要求14所述的一种模拟复合滤波电路，其特征在于：根据如下公式计算得到低通滤波对应的模拟滤波器电路的电阻的电阻值和/或电容的电容值：
式中，H(f)为传递函数，f为横轴频率轴，j为虚数，f5为截止频率，Ra为共用电阻阻值，R9为第九电阻阻值，R10为第十电阻阻值，C5第五电容容值，C6为第六电容容值，C6＝n*C5＝C，R6＝R10＝2*R9＝R，Q为品质因子。
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