四階RC有源高通濾波器的優(yōu)化設(shè)計

田 聰，余水寶（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

四階RC有源高通濾波器的優(yōu)化設(shè)計

田 聰，余水寶
（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

為克服傳統(tǒng)的低通到高通電路之間轉(zhuǎn)換的缺陷，從優(yōu)化設(shè)計的低通濾波器的傳輸函數(shù)著手，提出了一種通用的從低通到高通變換的新方法。理論與實際都證明了此方法能得到性能良好的高通濾波器。

低通濾波器；高通濾波器；傳遞函數(shù)

0 引言

濾波器指的是一種能夠使有用頻率信號順利通過，而抑制（或大為衰減）不需要的頻率信號的電子裝置。以往的濾波電路主要由無源元件R、L和C組成，自20世紀60年代以來，隨著集成運放的迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波電路相較無源濾波器具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點而得到快速發(fā)展，且被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳送、信號處理和抑制干擾等領(lǐng)域。

有源濾波器在人們?nèi)粘Ｉ钪幸颜加胁豢苫蛉钡闹匾匚唬３⑵渥鳛橐粋€系統(tǒng)的一個模塊，其性能的好壞，將對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生決定性的影響。目前國內(nèi)外對低通濾波器的相關(guān)研究已相當成熟［1］，但對高通濾波器尤其是高階高通濾波器的研究卻很少。近年來雖有開關(guān)電容式專用濾波芯片出現(xiàn)，但其電路噪聲不盡人意。因此開展高階RC有源高通濾波器的優(yōu)化設(shè)計研究具有一定的實用價值。

1 四階高通有源濾波器優(yōu)化設(shè)計步驟

1.1 四階低通濾波器的優(yōu)化設(shè)計

二階低通濾波器既是常用的濾波單元，又是構(gòu)成高階濾波器的基本組成單位。常見的二階低通濾波電路主要有MFB形式和VCVS形式。由于VCVS形式的二階低通電路具有輸入阻抗很高而輸出阻抗很低、所需的精密電阻與電容器件較少、對運放要求較低等優(yōu)點，因此本文采用VCVS形式二階濾波節(jié)作為組成四階低通的基本單元。典型的二階低通濾波電路如圖1所示。

圖1 VCVS型二階低通濾波器

根據(jù)基爾霍夫電流定律以及運放的“虛短”、“虛斷”原則，可以推導(dǎo)出圖1的傳輸函數(shù)為：

根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)理論［2］，并結(jié)合有源濾波器具有輸入與輸出便于級聯(lián)而不會產(chǎn)生額外的干擾信號的特點，則四階低通濾波器可由兩個上述二階濾波器的級聯(lián)來實現(xiàn)。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 VCVS型四階低通濾波器

可以推導(dǎo)出其傳輸函數(shù)為：

H（S）=H1（S）H11（S）=

為計算方便，令 R1=R2=R11=R22=1 Ω，則此時四階低通的傳輸函數(shù)可表示為：

巴特沃斯低通濾波器因在通頻帶內(nèi)具有大平坦的特點，且在過渡帶與阻帶內(nèi)具有單調(diào)下降的幅頻特性，因而被廣泛應(yīng)用。四階巴特沃斯歸一化低通傳輸函數(shù)［3］可表示為：

仔細觀察其傳輸函數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)四階巴特沃斯低通傳輸函數(shù)可以用上面所述的兩個二階低通傳輸函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)來實現(xiàn)，只要將式（3）與式（4）進行對照，并令它們完全相等，則：

從而解得：

這樣理論上來講，便把四階低通濾波器優(yōu)化為了歸一化的四階低通巴特沃斯濾波器。其電路原理如圖3所示。

圖3 歸一化的四階低通巴特沃斯濾波器

經(jīng)仿真軟件仿真，此電路確實具有巴特沃斯濾波器的幅頻特性。且此歸一化低通濾波器為接下來高通濾波器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，同時低通濾波器4個電阻的阻值為1，也使得下一步變換成高通濾波器時電容的選擇更加方便快捷。

1.2 四階低通到四階高通的轉(zhuǎn)換與優(yōu)化設(shè)計

有關(guān)低通到高通電路之間的轉(zhuǎn)換方法，傳統(tǒng)的方法是：將低通網(wǎng)絡(luò)中每一個電阻Ri都變換為容量是1/RiF的電容，同時將每個電容Cj換成阻值為1/CjΩ的電阻［4］。這時的高通濾波器的參數(shù)變?yōu)椋?/p>

R1=1/C1=0.924Ω，R2=1/C2=1.082Ω，R11=1/C11=0.383Ω，R22=1/C22=2.614Ω，C1=C2=C11=C22=1F（10）

則歸一化四階高通濾波器的電路如圖4所示。

圖4 歸一化四階高通濾波器

但在實際電路中，這種簡單的從低通到高通的變換通常并不能得到濾波特性較好的高通濾波器。如果仔細觀察分析上述濾波網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)，如式（1）、式（2），不難發(fā)現(xiàn)：若濾波網(wǎng)絡(luò)中所有的電阻都乘以一個常數(shù)f，而同時所有的電容都除以同一個相同的常數(shù)f，則濾波網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)不變（這是因為電容與電阻總是成對以乘積的形式出現(xiàn)），但其幅頻特性卻能得到大大的改善（通過仿真及實際電路觀測其幅頻特性得到）。

需要注意的是，這個常數(shù)的選擇是需要計算的，具體的計算方法見下面的設(shè)計實例，同時還需要仿真及調(diào)試來最終確定其數(shù)值。一般在低頻段其值要大一些，否則反之。

2 設(shè)計實例與仿真

2.1 設(shè)計要求

設(shè)計一高通濾波器，其技術(shù)指標為：在600Hz處最大衰減是3dB，在250Hz處的最小衰減為30dB。

2.2 設(shè)計過程

由題意得其轉(zhuǎn)折頻率ω0=2π×600=3770 rad/s，先找到歸一化巴特沃斯低通模型，確定濾波器階數(shù)。由于600/240=2.5，即它要滿足在2.5rad/s處的最小衰減為30dB。通過查找巴特沃斯幅頻響應(yīng)圖［5］，得知四階巴特沃斯低通濾波器滿足要求。

這樣就可以用上述的方法與過程來設(shè)計高通濾波器了：在圖3歸一化的四階低通巴特沃斯濾波器的電路基礎(chǔ)上，用前面所說的方法將電容換成電阻，其阻值為該電容的倒數(shù)；同時電阻換成電容，其電容值為電阻值的倒數(shù)，參數(shù)如式（9）所示，得到圖4所示的歸一化高通濾波器。

接下來，如何得到合適的常數(shù)f的值呢？為方便起見，先選擇C′=0.1μF，則f=C/（C′×ω0）=1/（0.1×10-6×3 770）=2653，同時通過仿真來驗證，確實當其值為2653時，具有較好的濾波特性。則此時濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)變?yōu)椋?/p>

C1=C2=C11=C22=0.1μF

R1=0.924×2 653=2.45kΩ

R2=1.082×2 653=2.87kΩ

R11=0.383×2 653=1.01kΩ

R22=2.614×2 653=6.93kΩ

最后電路原理及參數(shù)值如圖5所示。

圖5 四階高通濾波器

2.3 仿真

本文采用Multisim11電路仿真軟件，對圖4最后設(shè)計出來的帶有參數(shù)的四階高通濾波器電路進行仿真。其仿真幅頻特性如圖6所示。高通濾波器歸一化的傳遞函數(shù)部分頻點的幅頻特征如表1所示。

圖6 四階高通濾波器幅頻特性

表1 高通濾波器歸一化的傳遞函數(shù)部分頻點的幅頻特征

從圖6及表1可以清楚地看到，它在600 Hz處的最大衰減是 3 dB，在 250 Hz處的最小衰減為 30 dB，且在通帶內(nèi)具有最大幅度的特性，完全滿足設(shè)計的要求。

3 結(jié)論

本文主要是通過對優(yōu)化設(shè)計的四階巴特沃斯低通濾波器進行從低通到高通的變換，來優(yōu)化設(shè)計四階高通濾波器。事實證明此方法切實可行，能夠滿足設(shè)計要求。

［1］余水寶.高階有源濾波網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化綜合及其應(yīng)用［J］.科技通報，2001，17（2）：53-58.

［2］陳昭炎.高階帶通濾波器的設(shè)計［J］.嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報，2008，25（6）：13-18.

［3］程佩青.數(shù)字信號處理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［4］［美］M.S高西，K.R萊克.現(xiàn)代濾波器設(shè)計：有源 RC的開關(guān)電容［M］.北京：科學(xué)出版社，1989.

［5］黃根春，周靖，張望先.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽教程：基于TI器件設(shè)計方法［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

The optimization of fourth order RC active high-pass filter

Tian Cong，Yu Shuibao
（College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）

In this paper，to overcome the defects from traditional low-pass to high-pass circuit switching，we have optimized the design of the transfer function with low pass filter and proposed a newly universal method for the conversion from low-pass to high-pass.Theoretical and practical results have demonstrated that this method can get a high-pass filter with good performance.

low pass filter；high-pass filter；transfer function

TN91

A

1674-7720（2015）18-0029-03

田聰，余水寶.四階RC有源高通濾波器的優(yōu)化設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：29-31.

2015-05-17）

田聰（1990-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：單片機與嵌入式系統(tǒng)運用，RC有源濾波器的優(yōu)化設(shè)計。E-mail：tiancong2012@126.com。

余水寶（1954-），男，教授，主要研究方向：單片機與嵌入式系統(tǒng)運用，信號檢測與儀表技術(shù)。