滤波器课件学习培训课件.ppt
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1、2022-11-9电子电路II-20131笫笫2章章 滤波器滤波器 2022-11-9电子电路II-201322.2 LC 滤波器滤波器下图下图网络综合方法完成滤波器的设计的要点:网络综合方法完成滤波器的设计的要点:描述问题描述问题:首先要给出滤波器的技术指标,描述滤波器的衰首先要给出滤波器的技术指标,描述滤波器的衰减特性曲线减特性曲线。实际特性与理想特性之间主要的区别在于:实际特性与理想特性之间主要的区别在于:通带衰耗不为零;阻带衰耗不为无穷大通带衰耗不为零;阻带衰耗不为无穷大。通带和阻带之间有过渡带。通带和阻带之间有过渡带。通带和阻带内不一定平坦,可有起伏通带和阻带内不一定平坦,可有起伏。
2、逼近问题逼近问题:寻找逼近衰减特性曲线的可实现的传输函数寻找逼近衰减特性曲线的可实现的传输函数。常常用的逼近方法有巴特沃斯函数逼近、切比雪夫函数逼近、椭用的逼近方法有巴特沃斯函数逼近、切比雪夫函数逼近、椭圆函数逼近和贝塞尔函数逼近,另外还有高斯函数逼近圆函数逼近和贝塞尔函数逼近,另外还有高斯函数逼近。实现问题实现问题:在设计中,一般只设计出低通滤波器的数据。高在设计中,一般只设计出低通滤波器的数据。高通、带通和带阻滤波器的设计,可以通过对低通滤波器的变通、带通和带阻滤波器的设计,可以通过对低通滤波器的变换得到,因此通常换得到,因此通常称低通滤波器为原型滤波器。称低通滤波器为原型滤波器。2022
3、-11-9电子电路II-201332.描述问题(十个参数)描述问题(十个参数)Ar表示通带内最大波纹衰减;表示通带内最大波纹衰减;r表示称波纹带宽;表示称波纹带宽;As表示阻带最小衰减;表示阻带最小衰减;s表示阻带边缘角频率;表示阻带边缘角频率;p表示通带内幅度起伏;表示通带内幅度起伏;s表示阻带内幅度起伏;表示阻带内幅度起伏;c称为截止频率(衰减称为截止频率(衰减3分贝处角频率);还有特征阻抗。分贝处角频率);还有特征阻抗。其中:其中:Ap表示最大通带衰减;表示最大通带衰减;p表示通带角频率;表示通带角频率;返回返回2022-11-9电子电路II-201343.逼近逼近问题:问题:(1)四种
4、逼近衰减特性曲线的方法)四种逼近衰减特性曲线的方法(2)滤波器的归一)滤波器的归一 化设计化设计(1)四种逼近衰减特性曲线的方法四种逼近衰减特性曲线的方法一、一、巴特沃斯逼近(巴特沃斯逼近(Butterworth)()(幅度最大平坦型):幅度最大平坦型):幅频特性和相频特性是平坦的。适用于一般性滤波。幅频特性和相频特性是平坦的。适用于一般性滤波。二、切比雪夫逼近(二、切比雪夫逼近(Chebyshev)()(等波纹型):幅频和相等波纹型):幅频和相频特性在通带内有小的起伏。适用于调制与解调电路中。频特性在通带内有小的起伏。适用于调制与解调电路中。三、贝塞尔逼近(三、贝塞尔逼近(Beseel)()
5、(相位平坦):在整个通带内,相位平坦):在整个通带内,相位相位-频率特性的起伏最小或最平的逼近称为贝塞尔逼近。频率特性的起伏最小或最平的逼近称为贝塞尔逼近。四、椭圆逼近(四、椭圆逼近(Elliptic)()(狭窄过渡带):使幅度狭窄过渡带):使幅度-频率特性频率特性具有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带的逼近称为椭圆逼近。具有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带的逼近称为椭圆逼近。2022-11-9电子电路II-201353.逼近问题(续逼近问题(续1)四种逼近衰减特性曲线的方法和滤波器的归一四种逼近衰减特性曲线的方法和滤波器的归一 化设计化设计。(1)四种逼近衰减特性曲线的方法(续)四种逼近衰减特性曲线的方法
6、(续1)一、一、巴特沃斯逼近(巴特沃斯逼近(Butterworth)()(幅度最大平坦型):幅度最大平坦型):幅频特性和相频特性是平坦的。适用于一般性滤波。幅频特性和相频特性是平坦的。适用于一般性滤波。nnjH22112022-11-9电子电路II-201363.逼近问题(续逼近问题(续2)22211nnTjH 1 h arccoscosh1 arccoscosxxnxxnxTn(1)四种逼近衰减特性曲线的方法(续)四种逼近衰减特性曲线的方法(续2)二、切比雪夫逼近(二、切比雪夫逼近(Chebyshev)()(等波纹型):幅频和相等波纹型):幅频和相频特性在通带内有小的起伏。适用于调制与解调电
7、路中。频特性在通带内有小的起伏。适用于调制与解调电路中。的波纹参数:决定通带内起伏大小2022-11-9电子电路II-201373.逼近问题(续逼近问题(续3)(1)四种逼近衰减特性曲线的方法(续)四种逼近衰减特性曲线的方法(续3)三、贝塞尔逼近(三、贝塞尔逼近(Beseel)()(相位平坦):在整个通带内,相位平坦):在整个通带内,相位相位-频率特性的起伏最小或最平的逼近称为贝塞尔逼近。频率特性的起伏最小或最平的逼近称为贝塞尔逼近。四、椭圆逼近(四、椭圆逼近(Elliptic)()(狭窄过渡带):使幅度狭窄过渡带):使幅度-频率特性频率特性具有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带的逼近称为椭圆逼近。具
8、有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带的逼近称为椭圆逼近。2022-11-9电子电路II-201383.逼近问题(续逼近问题(续4)(2)滤波器的归一化设计滤波器的归一化设计nY212 nZ22 nY6Y5Z4Y3Z2Y1Z网络综合:网络综合:在使用上述四种滤波器时,可根据所需频率特性在使用上述四种滤波器时,可根据所需频率特性利用查表的方法得到相应的传输函数和电路。利用查表的方法得到相应的传输函数和电路。滤波器的归一滤波器的归一 化设计:化设计:为了这些数据表格的通用性,将滤为了这些数据表格的通用性,将滤波器的阻抗用波器的阻抗用负载阻抗负载阻抗进行了归一化,频率用进行了归一化,频率用截止频率截止频率进行
9、进行了归一化。了归一化。工程设计数据表格:工程设计数据表格:滤波器计算曲线,滤波器衰减特性曲线,滤波器计算曲线,滤波器衰减特性曲线,滤波器群延时特性曲线和数据表和低通滤波器归一化元件值滤波器群延时特性曲线和数据表和低通滤波器归一化元件值表等。表等。梯形网络梯形网络,共有共有2n阶次。阶次。2022-11-9电子电路II-201393.逼近问题(续逼近问题(续5)(2)滤波器的归一化设计滤波器的归一化设计(续(续1)一、一、滤波器滤波器阻抗阻抗归一化归一化要求:用要求:用负载阻抗负载阻抗进行了归一化;保持滤波器各元件间的阻进行了归一化;保持滤波器各元件间的阻抗关系不变。抗关系不变。归一化公式:归
10、一化公式:2022-11-9电子电路II-2013103.逼近问题(续逼近问题(续6)(2)滤波器的归一化设计滤波器的归一化设计(续(续2)二、二、滤波器滤波器频率频率归一化归一化要求:用要求:用截止频率截止频率进行了归一化;保持滤波器各元件间的阻进行了归一化;保持滤波器各元件间的阻抗关系不变。抗关系不变。归一化公式:归一化公式:2022-11-9电子电路II-2013113.逼近问题(续逼近问题(续7)(2)滤波器的归一化设计滤波器的归一化设计(续(续3)三、真正元件值计算三、真正元件值计算要将工程设计数据表格中归一化元件值和归一化频率标定成要将工程设计数据表格中归一化元件值和归一化频率标定
11、成实际截止频率和负载阻抗时的元件值,应该按下式计算:实际截止频率和负载阻抗时的元件值,应该按下式计算:归一化公式:归一化公式:2022-11-9电子电路II-2013124.实现实现问题:问题:低通滤波器的设计低通滤波器的设计低通滤波器的设计小结低通滤波器的设计小结根据低通滤波器的设计技术指标,选择低通滤波器的形式根据低通滤波器的设计技术指标,选择低通滤波器的形式(幅度最大平坦型、等波纹型(幅度最大平坦型、等波纹型)。利用滤波器计算曲线,确定滤波器的阶次利用滤波器计算曲线,确定滤波器的阶次 n。选择电路。满足同一要求的低通滤波器电路都有两种结构,选择电路。满足同一要求的低通滤波器电路都有两种结
12、构,它们互为对偶,一般选择电感少的电路。它们互为对偶,一般选择电感少的电路。根据给定的技术指标和求得的阶次根据给定的技术指标和求得的阶次n,从归一化元件值表中从归一化元件值表中查得归一化元件值。查得归一化元件值。使用上页公式求得各元件的实际值并画出电路图。使用上页公式求得各元件的实际值并画出电路图。信号源电阻和负载电阻信号源电阻和负载电阻Rs和和RL,通常取二者相等。通常取二者相等。也可使用软件进行网络综合设计。(也可使用软件进行网络综合设计。(ADS)2022-11-9电子电路II-201313例例 2.3.1(P49)设计一个幅度平坦低通滤波器,要求从设计一个幅度平坦低通滤波器,要求从0-
13、2.5千赫兹衰减不大千赫兹衰减不大于于1分贝,分贝,20千赫兹以上衰减大于千赫兹以上衰减大于35分贝,信号源和负载电阻分贝,信号源和负载电阻均为均为600欧姆。欧姆。一、选择低通滤波器的形式。根据幅度平坦的要求,选择巴一、选择低通滤波器的形式。根据幅度平坦的要求,选择巴特沃斯滤波器特沃斯滤波器。Ap表示最大通带衰减;表示最大通带衰减;p表示通带角频率;表示通带角频率;As表示阻带最小衰减;表示阻带最小衰减;s表示阻带边缘角频率表示阻带边缘角频率。由题意可得:由题意可得:最大通带衰减最大通带衰减Ap 是是1分贝;通带频率是分贝;通带频率是2.5千赫兹。千赫兹。阻带最小衰减阻带最小衰减As 是是3
14、5分贝;阻带频率是分贝;阻带频率是20千赫兹。千赫兹。2022-11-9电子电路II-201314例例 2.3.1(续续1)二、利用滤波器计算曲线(二、利用滤波器计算曲线(P43),确定滤波器的阶次),确定滤波器的阶次 n。技术指标中,只给出从技术指标中,只给出从02.5千赫兹衰减不大于千赫兹衰减不大于1分贝,并未分贝,并未给出截止频率,所以需要确定截止频率。为此,先利用给出给出截止频率,所以需要确定截止频率。为此,先利用给出的条件,估计一个带宽比为的条件,估计一个带宽比为20/2.5=8,利用给定的,利用给定的Ap=1dB,As=35dB和和y1=8。Ap=1dB(P1),),As=35dB
15、(P2),连接连接P1和和P2点并延长与第三根纵轴点并延长与第三根纵轴相交于相交于P3 点点。通过通过P3点作平行于点作平行于 轴的直线,轴的直线,与从与从 轴上的轴上的y1点引出的与点引出的与 轴轴成垂直的直线相交于成垂直的直线相交于P4点,如果点点,如果点落在落在n与与(n-1)的衰减线之间,则选的衰减线之间,则选择择n=3。2022-11-9电子电路II-201315例例 2.3.1(续续2)利用图利用图2.3.18可以查出(左面放大图),阶次为可以查出(左面放大图),阶次为3的巴特沃斯的巴特沃斯滤波器,当通带内衰减为滤波器,当通带内衰减为1分贝时,其对应的归一化频率分贝时,其对应的归一
16、化频率是是0.8,由此可以得出截止频率为,由此可以得出截止频率为2.5/0.8=3.13千赫兹。千赫兹。利用此结果重新计算带宽比利用此结果重新计算带宽比20/3.13=6.39,再利用图,再利用图2.3.17查查阶次阶次n为为3的衰减的衰减As,结果为结果为43分贝,满足要求。由此,可以分贝,满足要求。由此,可以确定所需要的阶次确定所需要的阶次n为为3。三、应用表三、应用表2.3.2(P45),查出电路结构和归一化元件值(已),查出电路结构和归一化元件值(已知归一化的知归一化的Rs=1.0000)。则可得,归一化元件值为:(表中)。则可得,归一化元件值为:(表中元件标号是元件标号是 、)。)。
17、0000.11C0000.22L0000.13C1C2L3C2022-11-9电子电路II-201316例例 2.3.1(续续3)可得计算实际元件值的表示式可得计算实际元件值的表示式CCCRCLLLRLLccL6333100847.06001013.3211105.301013.32600将归一化元件值代入,即可得实际元件值为:将归一化元件值代入,即可得实际元件值为:2022-11-9电子电路II-201317无源无源 LC LC 滤波器的缺点:滤波器的缺点:当工作频率较低时,所需要的电感和电容数值都很大,使当工作频率较低时,所需要的电感和电容数值都很大,使得滤波器的体积和重量大。得滤波器的体
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