第二章 具有基本功能的滤波器的种类与仿真设计
对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内幅度衰减到零。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以下几类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等滤波电路。其理想的的幅频特性如图2.1所示 20lg|Au|
通 阻 阻 通 图2.1 滤波器的理想幅频特性Figure 2.1 filter ideal amplitude-frequency characteristic 20lg|Au| ｆ ｆ 我们把通带与阻带的分界点的频率称为截止频率或转折频率。上图中f0、f1、f2均为f0 f0 截止频率，其中f1、f2分别称为上限和下限截止频率；Au为通带的电压放大倍数。 20lg|Au| 20lg|Au| 阻 通 阻 （a）低通滤波器 （b）高通滤波器 2.1 低通滤波电路 通 阻 （十倍频程）通 一阶有源低通滤波器电路简单，幅频特性衰减斜率只有-20dB/10oct，因此在f0处附近选择性差，希望衰减斜率越陡越好，只有增加滤波器的阶数来实现。 ｆ ｆ f1 f2 f1 f2 2.1.1 （c）带通滤波器 电路设计分析 （d）带阻滤波器 二阶有源低通滤波器电路原理图如图2.2所示
RF 8
R1 ∞ — + Ui R C R C + Uo 图2.2二阶有源低通滤波器电路原理图 Fig 2.2 Second-order active low-pass filter circuit schematic 通过分析发现，二阶有源低通滤波器电路的输入、输出信号关系为
式中:
传递函数中出现w的二次项，故称为二阶滤波器。阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。
2.1.2元器件选取及电路组成
（1）元器件选取
仿真电路所用元器件及选取途径如下。
1. 电源VCC和VEE：Place Source→POWER_SOURCES→VCC/VEE. 2. 接地：Place Source→POWER_SOURCES→GROUND,选取电路中的接地。 3. 信号源：Place Source→SIGNAL_VOLTAGE_SO→AC_VOLTAGE. 4. 电阻：Place Basic→RESISTOR,选取47.5kΩ、27.4kΩ、10kΩ。 5. 电容：Place Basic→CAPACITOR，选取47nF。
6. 运算放大器（3554BM）：Place Analog→OPAMP→3554BM。 7. 虚拟仪器：从虚拟仪器栏调去波特图仪。 （2）电路组成
9
将选择好的运算放大器3554BM、直流电源、信号源、电阻、电容、波特图仪等放置在仿真软件工作窗口合适的位置，创建二阶有源低通滤波器仿真电路，如图2.3所示
图2.3二阶有源低通滤波器仿真电路
Fig 2.3 Second-order active low-pass filter simulation circuit
2.1.3仿真分析
（1）二阶有源低通滤波器的幅频特性及仿真电路
启动仿真，单击波特图仪，可以看见二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线，如图2.4所示
10
图2.4二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线
Fig 2.4the amplitude - frequency characteristic curve of second-order active low-pass filter （2）二阶有源低通滤波器的AC Analysis
利用AC Analysis（交流分析）功能可以分析二阶有源低通滤波器电路的频率特性。分析步鄹如下
1) 单击Options→Sheet Proterties命令，再打开的对话框的Circuit选项卡中选
中Show All选项
2) 单击Simulate→Analysis→AC Analysis菜单命令，将弹出AC Analysis对话框，
进入交流分析状态。
3) 选择设置合适的参数进行仿真。
4) 单击Simulate按钮即可进行仿真分析，仿真分析结果如下图2.5所示。
图2.5 二阶有源低通滤波器电路的频率特性
11
Fig 2.5 frequency characteristics of the second-order active low-pass filter circuit
2.1.4仿真分析总结
利用具有先进功能的Multisim仿真软件分析二阶有源低通滤波电路。先对滤波电路进行对应的参数设置，构建电路原理图。再在仿真软件界面构建电路仿真图。利用波特图仪及AC Analysis可以分析二阶有源低通滤波电路的频率特性、幅频特性及相频特性。可以得知滤波电路的截止频率。与理论得出的截止频率相比较，两者相符合。得证!应用仿真软件Multisim进行电路的仿真设计节省了大量的工作时间，可以直接方便的验证电路方案是否正确。仿真正确后可以直接制版做电路，很好的控制了成本。
2.2 高通滤波电路 2.2.1电路设计分析
高通滤波器与低通滤波器作用正好相反，它允许高于截止频率的信号通过。二阶高通滤波器如下图2.6所示：
图2.6二阶高通滤波器电路原理图
Fig 2.6 Second-order high-pass filter circuit schematic
由图可见，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
二阶有源高通滤波器 (1)通带增益Avp
(2)传递函数Av（s）
12