[运算放大器]佛朗哥笔记 - 有源滤波器I - 标准二阶响应

标准二阶响应

回顾前面所提到的低通,高通和全通响应,可以看到他们拥有相同的分母D(jω)=1+ jω/ω0。从而正是分子决定了响应的类型。

当N(jω)=1,得到低通;当N(jω)= jω/ω0,得到高通;当N(jω)=1- jω/ω0,得到全通。

所有二阶函数都可以表示成如下的标准形式:

 

ω0称作无阻尼自然频率,单位是rad/s,而ξ是一个无量纲参数,称为阻尼系数。这个函数有两个极点, 。


1.当ξ>1时,极点为实数且值为负。自然响应是由两个衰减的指数项组成,这被称作过阻尼。

2.当0<ξ<1时,几点为一对共轭复根,可以表示成:

 

这些极点都位于左半平面,此时称为欠阻尼,其自然响应是衰减的正弦函数。

3.当ξ=0时,,这表明这些极点恰好都位于虚轴上。自然响应是一个恒定不变未受衰减的正弦函数,它的频率是。

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4.当ξ<0时,极点位于右半平面,产生发散的响应,因此滤波器为了保持稳定,必须有ξ>0。


令s→jω可以得到频率响应,通过用另一个无量纲参数Q可将频率响应表示为:

 

 

低通响应HLP

所有的二阶低通函数都可以表示成H(jω)=H0LPHLP(jω)的标准形式,式中H0LP是某个合适的常数,称为直流增益,而

 

采用渐近近似来构造它的幅度图。

1.当ω/ω0<<1时,分母第二项第三项可忽略,得到增益为0dB。

2. 当ω/ω0>>1时,分母中第二项与其他两项相比起更大作用,所以HLP→-1/(ω/ω0)2,那么高频渐近线为:

 

是一个斜率为-40dB/dec的直线。

3.当ω/ω0=1时,两条渐近线相交。分母中第一项和第二项相抵消,得到HLP=-jQ,或者

 

 

二阶响应,除了使高频渐近线的陡度增加了两倍的斜率,还能对ω/ω0=1附近频域的幅度形状调节增加了自由度。在实际应用中,Q的范围可低至0.5高至100,而接近于1的那些值最为常用。

对于低Q值而言,从一条渐近线到另一条的过渡是平缓的,而对于高Q值,在ω/ω0=1的附近频带内有|HLP|>1,这种现象叫“峰化”。

可以证明在峰化出现之前,Q的最大值是Q=1/=0.707。它相应的曲线称为最大平伏或巴特沃兹响应(Butterworth response)。这条曲线最接近陡峭模型,所以得到广泛的应用。

在存在峰值的响应中,即Q>1/时,|HLP|取最大值时的频率以及相应的最大值是:

 

 

对于足够大的Q,如Q>5,有ω/ω01和|HLP|maxQ。

如果没有峰值存在,那么在直流时增益最大。

 

高通响应HHP

所有的二阶高通函数都可以表示成H(jω)=H0HPHHP(jω)的标准形式,式中H0HP称为高频增益。H(s)除了有一对极点,在原点还有一个二阶零点。

 

 

带通响应HBP

所有的二阶带通函数都可以表示成H(jω)=H0BPHBP(jω)的标准形式,式中H0BP称为谐振增益。H(s)除了有一对极点,在原点还有一个零点。

 

1.当ω/ω0<<1时,分母第二项第三项可忽略,得到HBP→(jω/ω0)/Q,因此低频渐近线久为:

 

这个方程属于y=20x-QdB类型,表明这是一条斜率为+20dB/dec的直线,但在ω/ω0=1处相对于0dB轴有一个-QdB的位移。

2. 当ω/ω0>>1时,分母中第二项起主要作用,得到HBP→-j1/(ω/ω0)Q,那么高频渐近线为:

 

是一个斜率为-20dB/dec的直线。

3.当ω/ω0=1时,得到HBP=1,或者

 

可以证明,无论Q取何值,|HLP|在ω/ω0=1处最大,因此被称为峰值或谐振频率。

为了定量表示Q对谐振频率附近频率陡峭程度的选择性,引入带宽的概念:

 

式中的ωL和ωH都是-3dB频率,在该频率处的响应比它的最大值低3dB,可以证明

 


谐振频率ω0是ωL和ωH的几何均值,这表明在对数坐标轴上ω0位于ωL和ωH的中点。显然,带宽越窄滤波器的选择性越好。然而,选择性还依赖于ω0。一种有效度量选择性的方法是求ω0/BW的比值。

 

Q就是选择性,Q越大,选择性越好。

 

带阻响应HN

H(jω)=H0NHN(jω)。H(s)除了有一对极点,还在虚轴上有一堆零点,他们是z1,2=±jω0。可以看到在相当低或相当高的频率上,有HN→1。

 

然而,对于ω/ω0=1,得到HN→0及|HN|dB→-∞。Q值越高,带阻曲线就会越窄,ω0被称作隔波频率。在实际应用中,一个无限深的凹陷是无法实现的。

 

全通响应HAP

H(jω)=H0APHAP(jω)。H(s)有两个极点和两个零点。

 

当Q>0.5时,零点和极点都为复数,并且关于jω轴对称。因为N(jω)=D(jω),无论频率为何值,都有增益为0dB。相位关系为,对于ω/ω0<1

 

对于ω/ω0>1

 

在ω/ω0从0变化到∞的过程中,相角由0°经过-180°变化到-360°。

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