1、毕业论文文献综述 电子信息工程 基于对 LC网络模拟的高阶有源 RC滤波器的分析与设计 摘要： 本文讨论了有源 RC 滤波器的研究背景与意义，该滤波器的应用现状和发展趋势，以及它的一些特性和工作原理。 关键词： 有源 RC 滤波器， LC 滤波器 1. 有源 RC滤波器的研究背景与意义 从上世纪二十年代至六十年代，滤波器主要由无源元件 R、 L、 C 构成，称为无源滤波器。为了提高无源滤波器的质量，要求所用的电感元件具有较高的品质因数 QL，但同时又要求有一定的电感量，这就必然增加电感元件的体积，重量与成本。这种矛盾在低频时尤为突出。为 了解决这一矛盾，五十年代有人提出用由电阻、电容与晶体管组
2、成的有源网络替代电感元件，由此产生了用有源元件和无源元件 (一般是 R 和 C)共同组成的电滤波器，称为有源滤波器。有源滤波器的历史，最早可追溯到 1938 年 Scott 的选择性放大器 1。 1954年 Linvill 用负阻抗变换器的转移阻抗综合 2实现了第一个有源滤波器。 1965 年单片集成运放问世，为有源滤波器的迅速发展和普及提供了物质基础。六十年代末由分立元件组成的有源滤波器得到应用。七十年代以来，由薄膜电容、薄膜电阻和硅集成电路运算放大器构成的薄膜混合集成电 路提供了大量质优价廉的小型和微型有源 RC 滤波器。集成电路技术的出现和迅速发展给有源滤波器赋予巨大的生命力。集成电路有
3、源滤波器不但从根本上克服了 R、 L、 C 无源滤波器在低频时存在的体积和重量上的严重问题，而且成本低、质量可靠及寄生影响小。和无源滤波器相比，它的设计和调整过程较简便，此外还能提供增益。 2. 有源 RC滤波器的应用现状与发展趋势 随着小型通信机的迅速发展，在由电子管向晶体管演变的过程中，滤波器在载波机里所占的比例，无论在体积上，质量上，还是在成本上，均占有重要的地位，而且不要很久，大部分晶体 管、电阻、电容就将被半导体集成电路、薄膜集成电路所代替，因而虽然在磁性材料的发展上下了功夫，但目前的 LC 滤波器在体积、价格方面和其它部件仍然不相称。那么，滤波器是否也可以使用集成电路呢？有源 RC
4、 滤波器就满足了这一要求。这种滤波器在 20 多年前就已经开始研究，并且发表了许多文献。富士通公司也于 10 年前着手这种滤波器的研制工作，但却不见成品问世。原因是，有源元件 3-4和无源元件的稳定度、元件数、体积大小等问题没有解决，现在使用半导体集成电路和薄膜集成电路，不仅能够减轻制品的重量和小形化，而且，由于半导体集成电 路价格低廉和薄膜集成电路产量提高，这就使成本低、稳定性良好的有源 RC 滤波器有了制成的可能。 3. 有源 RC滤波器的特点及其比较 随着现代电信设备向着集成电路和体积小的方向发展 ,要求在这样设备中采用的滤波器集成电路化和小型化 ,到目前为止 LC 滤波器应用在很低频率
5、时体积特别大 ,特性也比所要求的差 ,不能实际应用 5。若用有源 RC 滤波器来代替的话有许多好处。不过在所有实际设备中采用也有困难，这是因为有如下原因： 1） 有源元件最早为电子管，然后演变到晶体管，只要使用了分离元件他们在体积和可靠性方面比不上 LC 滤波器。 2） 除适用在有源电路中的无源元件以外的电阻和电容的数目是 LC 滤波器的数倍。 3） 它的稳定性差且价格高昂。 目前，比较高性能的半导体集成电路运算放大器是用廉价可以买到的，而且现在把薄膜集成电路 6考虑在实用的滤波器中有利于有源 RC 滤波器向着集成电路方面演变和有利于实际应用。实际使用的有源 RC 滤波器有如下特点： 1） 体
6、积系小和重量轻。特别是在低频范围， LC 滤波器体积大，因而可以完全利用有源 RC 滤波器的特点。 2） 因为可以混合集成电路，适合于集成电路化装置。 3） 优良的传输频率特性，特别是低频 LC 滤波器，由于 线卷损耗的影响，使特性显著变坏，但是有源 RC 滤波器就不会出现这种影响，所以能得到陡峭的截止频率 7-8特性。 4） 有很好的稳定度，当无源元件采用了薄膜元件，由于可以充分发挥薄膜元件的特长，而获得温度特性良好，不随时间推移而发生变化的滤波器。 5） 能够得到各种类型的滤波器（包括低通，高通，带通和带阻）。 4. 滤波器的实现原理 从网络理论可以知道，固有频率越靠近 jw 轴 9，选择
7、性越好。所以在 RC 有源滤波器就是利用有源元件，将 RC 的固有频率移在靠近 jw 轴的 s 平面左半，以产生所要求的滤波特性，可以说 RC有源滤波器就是一种利用反馈结构来实现滤波器的逼近函数。 无源梯形网络的有源模拟实现可以获得低灵敏度高指标性能的有源 RC 电路。然而由于需要较多的运算放大器 10；模拟实现需要事先设计一个无源 LC 模型；无源网路其传输零点在 s 平面所受的限制等原因，限制了模拟法所能实现的函数类型。 5. 本章小结 有源网络的发展已有 30 历史，日趋成熟，在音频、低频、超低频段应用普遍，在超高频和微波段亦有应用 11-12。有源滤波器的混 合集成工艺不断改进，单片集
8、成有待进一步研究。双口终接电阻负载 LC 梯形网络低灵敏度性能对高阶有源模拟实现有很重要的意义，它对数字及开关电容滤波器的模拟设计有现实意义。最少有源元件的新的有源网络是可以探索的工作。随着 MOS 大规模集成技术的发展，网络理论已由无源网络发展为 RC 有源网络、开关电容（ SC）网络和数字网络。其中，有源网络不仅解决了无源网络中笨重而昂贵的电感，而且它还具有与之对应的无源网络所没有的优点，如设计的标准化和模块化、可换接性、适用性以及易于制造等特点。 集成电路技术的发展深刻地影响着语音和数据通 信系统的网络设计。利用单片集成的运算放大器以及厚、薄膜 RC 元件，使 RC 有源网络完全集成化，
9、做成一块小型固体组件，使网络的体积和重量大为缩小。此外，在有源 RC 滤波器基本节电路和级联法理论的基础上，利用现代电路网络深入分析其设计参数（灵敏度、级联顺序、各节增益常数、极零点配对等），借助于 EDA 仿真工具 Pspice进行仿真并优化，能方便快捷地进行高阶复杂滤波器的设计，同时可保障滤波器的性能达到最优化处理。这样将为使为音频、低频、甚低频频带处理模拟信号的有源滤波器小型化、集成化、自动化提供了有效而又简捷的途径，以致 有源滤波器在通信设备、仪器仪表、测量和自动控制以及航天技术等方面都将获得广泛的应用。 参考文献 1 H.H.Scott:PIRE,Vol.26,pp.226-235,
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