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模拟滤波器设计8

1.使用BPF的带阻滤波器

带阻滤波器又叫做陷波滤波器,它的功能是阻止某一频带内的信号通过。

如图所示:上图第一个运放的部分为之前分析过的MFB型带通滤波器,我们如果想实现一个带阻滤波,那么很自然的就会想到,用输入信号减去一个带通就变成了带阻,如果我们的带通滤波自带180°的反相 (MFB型带通就是如此),那么只要和输入信号简单相加就可以了。上图中的第二个运放就是实现了一个增益为1的反相加法器。

下面我们通过一个设计实例来介绍下如何设计一个陷波器:

陷波器最常用的用途之一就是滤除50Hz的工频噪声干扰,现在要设计一个中心频率50Hz,带宽10Hz的陷波器,那么设计参数计算如下:

由于频率比较低,这里选择大一点的电容 C=0.47uF 则根据前面的公式

BW=\\frac{2}{R_{3}C}=>R_{3}=\\frac{2}{2\\pi *10*0.47*10^{-6}}=67.76K

2\\pi *50=\\frac{1}{0.47*10^{-6}}*\\sqrt{\\frac{1}{R_{2}*67760}}=>R_{2}=678

谐振点增益设为1

R1=\\frac{R_{3}}{2}=33.88K

然后我们设置R4=R5=R6=10K,则后级反相加法器增益也为1,仿真结果如下

从Bode图1可以看到该陷波器的中心频率为50.45Hz,其他频率处增益为1,从Bode图2可以看到-3dB的带宽为10Hz,满足设计要求。工程设计上常常把R2和R5设为可变电阻,如下图:

因为陷波器滤除的频率带宽十分的窄,因此电路对RC参数的偏差非常敏感,这里用R2来调节电路相位,R5来调节电路增益。实际操作时,在Ui端加上要滤除的频率信号,如50Hz正弦波,然后把输入和输出接入示波器的两个通道,将示波器调整为李萨如图像显示模式,先调节R1使相位差为0,再调节R5,使输出为0。

2.双T型陷波滤波器

如图所示,该拓扑结构的核心是运放输入端的双T型网络,注意电容值和电阻值必须满足上述关系,下面我们推导一下它的传递函数:

\\frac{U_{i}-U_{M}}{\\frac{1}{sC}}=\\frac{U_{M}}{\\frac{R}{2}}+\\frac{U_{M}-U_{P}}{\\frac{1}{sC}}

\\frac{U_{i}-U_{L}}{R}=\\frac{U_{L}}{\\frac{1}{2sC}}+\\frac{U_{L}-U_{P}}{R}

\\frac{U_{M}-U_{P}}{\\frac{1}{sC}}-\\frac{U_{P}-U_{L}}{R}=0

联立以上三式消去中间变量UL和UM得出以下关系式:

\\frac{U_{P}}{U_{i}}=\\frac{s^{2}+(\\frac{1}{RC})^{2}}{s^{2}+\\frac{4}{RC}s+(\\frac{1}{RC})^{2}}

则总的传递函数为:

H_{(s)}=(1+\\frac{R_{f}}{R_{g}})*\\frac{s^{2}+(\\frac{1}{RC})^{2}}{s^{2}+\\frac{4}{RC}s+(\\frac{1}{RC})^{2}}

对比带阻滤波器传递函数的标准形式:

H_{(s)}=\\frac{K*(s^{2}+w_{0}^{2})}{s^{2}+\\frac{w_{0}}{Q}s+w_{0}^{2}}

可以看出它的中心频率  w_{0}=\\frac{1}{RC}

它的品质因数  Q=\\frac{1}{4}

我们分析下上述电路,当f<f0时,输入信号经过两个电阻R和2C组成的低通路径进入运放输入端,当f>f0时,输入信号经过两个电容C和R/2组成的高通路径进入运放输入端,当f=f0时输入信号同时经过高通和低通路径,但是高通相位超前,低通相位落后,两个输入大小相等,方向相反,正好相互抵消,因此实现带阻的效果。下面通过仿真看下:

上面的仿真电路中阻容参数是计算好的,中心频率为50Hz,通带增益为2,即6dB。从Bode图中可以看到,仿真结果和计算符合。

上述双T型带阻滤波器有个很大的问题,就是品质因数Q恒为1/4,这意味着带宽无法做的很窄,那么就会严重影响陷波特性。要解决这个问题,需要给双T网络引入正反馈,如下图所示:

我们推导下上述拓扑结构的传递函数,这里我们引入一个变量F为该电路的正反馈强度:

F=\\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}

和上面的推导过程一样,还是列KCL方程:

\\frac{U_{i}-U_{M}}{\\frac{1}{sC}}=\\frac{U_{M}-FU_{o}}{\\frac{R}{2}}+\\frac{U_{M}-U_{P}}{\\frac{1}{sC}}

\\frac{U_{i}-U_{L}}{R}=\\frac{U_{L}-FU_{o}}{\\frac{1}{2sC}}+\\frac{U_{L}-U_{P}}{R}

\\frac{U_{M}-U_{P}}{\\frac{1}{sC}}-\\frac{U_{P}-U_{L}}{R}=0

联立上述三个方程,消去中间变量可得如下传递函数公式:

H_{(s)}=\\frac{U_{o}}{U_{i}}=\\frac{1+(sRC)^{2}}{1+4(1-F)sRC+(sRC)^{2}}=\\frac{s^{2}+(\\frac{1}{RC})^{2}}{s^{2}+4(1-F)s\\frac{1}{RC}+(\\frac{1}{RC})^{2}}

对比带阻滤波器标准传递函数:

H_{(s)}=\\frac{K*(s^{2}+w_{0}^{2})}{s^{2}+\\frac{w_{0}}{Q}s+w_{0}^{2}}

可以看出它的中心频率  w_{0}=\\frac{1}{RC}

它的品质因数  Q=\\frac{1}{4(1-F)}

从上面的推导可以看出,正反馈系数越大,品质因数越高,陷波特性越好,但是电路的稳定性会变差。所以设计时需要综合考虑。下面我们搭建一下仿真电路:

从上面的Bode图我们看出,在保证中心频率50Hz不变的情况下,我们通过引入了一个0.95的正反馈,把品质因数提高到了5,这意味着带宽变为了10Hz。大大增强了陷波特性。

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