通用有源濾波器UAF42的CAD軟件-FILTER42

;;; 摘要：UAF42是美國(guó)B-B公司生產(chǎn)的通用有源濾波器，通過(guò)它可方便地設(shè)計(jì)了低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。另外，B-B公司還為UAF42專(zhuān)門(mén)提供了一個(gè)CAD軟件FILTER42來(lái)對(duì)UAF42進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。文中介紹了UAF42的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，并重點(diǎn)給出了利用FILTER42軟件設(shè)計(jì)各種濾波器參數(shù)的方法。 ;;; 關(guān)鍵詞：通用有源濾波器 軟件設(shè)計(jì) UAF42 FILTER42 1 概述 對(duì)輸入信號(hào)中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)之為濾波器。濾波器可廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、計(jì)算和測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域。有關(guān)濾波器的理論和設(shè)計(jì)日趨完善。隨著新型元器件的使用和設(shè)計(jì)思想的更新，濾波器的發(fā)展也日新別異。迄今為止，按元器件分類(lèi)，濾波器可以分為無(wú)源LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機(jī)械濾波器、鎖相環(huán)濾波器、RC有源濾波器和開(kāi)關(guān)電容濾波器等。這些濾波器有各自的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可使用于不同濾段和Q值范圍。由電阻、電容和有源器件——運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波器稱(chēng)之為RC有源濾波器。這是隨著高增益運(yùn)算放大器問(wèn)世而迅速發(fā)展起來(lái)的一種濾波器，由于其集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又低，因而構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。測(cè)量?jī)x器中的濾波器幾乎全部采用RC有源濾波器。隨著微電子學(xué)的發(fā)展，又出現(xiàn)了把一些電阻和電容與運(yùn)放集成在一塊芯片上的通用有源濾波器（Universal Active Filter,UAF）。這種芯片集成度高，片內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻和電容，在應(yīng)用中只要極少數(shù)外部器件就可以很方便地構(gòu)成一個(gè)有源濾波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是這一類(lèi)通用有濾波器的代表。它可廣泛應(yīng)用于高通、低通和帶通濾波器設(shè)計(jì)中。UAF42采用典型的狀態(tài)可調(diào)（state-variable）模擬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成了一個(gè)反向放大器和兩分器。該積分器包括1000μF(為5%)的電容，因此較好的解決有源濾波器設(shè)計(jì)中的低損耗（low-loss）電容問(wèn)題。 2 通用有源濾波器UAF42 UAF42的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 從圖中可以看出，UAF42的狀態(tài)可調(diào)（State-variable）結(jié)構(gòu)使得它的應(yīng)用十分方便。它有三個(gè)輸出引腳，這些引腳的輸出是把輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)低通、帶通和高通濾波后的信號(hào)。此外，UAF42片內(nèi)還集成了一個(gè)輔助運(yùn)放，該運(yùn)放可作為通用的運(yùn)放，也可以將UAF42的低通、高通和帶通等輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。N階濾波器傳遞函數(shù)的一般式為：

;;; 式中的m應(yīng)小于或等于n。需要說(shuō)明的是：直接實(shí)現(xiàn)三階以上傳遞函數(shù)的電路設(shè)計(jì)是很困難的。通常需要將高階傳遞函數(shù)分解為若干個(gè)低階（一階、二階、最多三階）傳遞函數(shù)的乘積形式，如： Gn(S)=[B1(s)B2(s)…Bk(s)]/[A1(s)A2(s)…Ak(s)]=G1(s)G2(B)…Gk(s) 將K個(gè)可實(shí)現(xiàn)的低階傳遞函數(shù)電路基本節(jié)（或稱(chēng)之為基本積木塊）級(jí)聯(lián)起來(lái)就構(gòu)成了N階濾波器。由于采用的是運(yùn)放構(gòu)成的低階基本電路，因而其輸出阻抗很低，可以不考慮級(jí)聯(lián)時(shí)的負(fù)載效應(yīng)，這樣就保證了各基本節(jié)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的獨(dú)立性。具體過(guò)程如圖2所示。 在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)對(duì)濾波器的通帶、阻帶或過(guò)濾帶的頻率范圍及通帶增益和衰減特性要求，設(shè)計(jì)其某種類(lèi)型的n階傳遞函數(shù)。然后將n階傳遞函數(shù)分爭(zhēng)為若干個(gè)低階級(jí)聯(lián)形式，即將其劃分成若干個(gè)一階、二階傳遞函數(shù)基本節(jié)。最后再按各個(gè)低階傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)計(jì)和計(jì)算有源濾波器電路基本節(jié)。這一