二阶有源低通滤波器设计.docx
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摘要 设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，并利用 Multisim10 仿真软件对电路 的频率特性、特征参量等进行了仿真分析，仿真结果与理论设计一致，为有源滤波器的电 路设计提供了 EDA 手段和依据。
关键词 二阶有源低通滤波器；电路设计自动化；仿真分析；Multisim10
滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据 传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波 和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性 不如有源滤波器，而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性 越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。采
用集成运放构成的 RC 有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频 率可调等特点。压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种，适合作为多 级放大器的级联。本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路，采用 EDA 仿真软件 Multisim1O 对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试，从 而实现电路的优化设计。
1 设计分析
1．1 二阶有源滤波器的典型结构
二阶有源滤波器的典型结构如图 1 所示。其中，Y1～Y5 为导纳，考虑到 UP=UN，根据 KCL 可求得
式(1)是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式，式中，Auf=1+Rf／R6。只要适 当选择 Yi，1≤i≤5，就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。
1．2 二阶有源低通滤波器特性分析
设 Y1=1／R1，Y2=sC1，Y3=O，Y4=1／R2，Y5=sC2，将其代入式(1)中，得到压控电压 源型二阶有源低通滤波器的传递函数为
式(2)为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中，ωn 为特征角频率，Q 称为等 效品质因数。
2 二阶有源低通滤波器的设计
2．1 设计要求
设计一个压控电压源型二阶有源低通滤波电路，要求通带截止频率
fo=100 kHz，等效品质因数 Q=1，试确定电路中有关元件的参数值。
2．2 选择运放
设计要求的截止频率较高，因此要求运放的频带较宽，选用通频带较宽的运放，本例 选用运放 3554AM，带宽为 19 MHz，适合用于波形发生电路、脉冲放大电路等。输出电流， 达到 100 mA，精度高，满足设计要求。
2．3 电路设计
为设计方便选取 R1=R2=R，C1=C2=C，则通带截止频率为可首先选定电容 C=1 000 pF， 计算得 R≈1．59 kΩ，选 R=1．6 kΩ。
等效品质因数，则 RF=R6。为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，应使 R6//RF=2R=3.2kΩ，则 R6=RF=6.4 kΩ，选 R6=RF=6．2 kΩ。
2．4 理论计算
根据实际选择的元件参数重新计算滤波电路的特征参量。
式(2)中，令 s=jω，得到二阶低通滤波电路的频率特性为
通带截止频率 fo 与 3 dB 截止频率 fc 计算如下
实际设计的二阶有源低通滤波电路，如图 2 所示。
3 Multisim 分析
3．1 用虚拟示波器观察输入输出波形
Multisim 环境下，创建如图 3 所示的二阶有源低通滤波器的仿真电路，启动仿真按钮， 用虚拟示波器测得的输入输出波形，如图 4 所示。可以看出，输出信号的频率与输入信号 一致，输出信号与输入信号同频不同相，说明二阶低通滤波电路不会改变信号的频率。从 图 4 中可以看出，当输入信号的频率较大(例如 200 kHz)时，输出信号的幅值明显小于输 入信号的幅值，而低频情况下的电压放大倍数 Auf=2。显然，当输入信号的频率较大时， 电路的放大作用已不理想。
3．2．3 用参数扫描分析法测试斯率特性
在图 3 所示电路中，改变电阻 R6，RF 的值，从而改变 Q 值，观察频率特性变化。由理 论分析结果可知，改变放大倍数，即可改变 Q 值。利用 Multisim 的参数扫描分析功能，即 可得到不同条件下的频率特性。
在主菜单栏中，选择 Simulate／Analyses／ParameterSweep——命令，在出现的对话 框中进行如下设置：器件类型选择电阻，器件名称选择电阻 RF，分别取 RF=0 Ω，6 200 Ω，ll 780 Ω“More Options”选项中，扫描类型选 AC Analysis，再选择节点 V(6)为输 出节点，点击 Simulate 进行仿真，得到 RF 取 3 个不同阻值时电路的幅／相特性曲线，如 图 6 所示。
从图 6 中可以看出，3 条曲线从下至上对应的电阻 R
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