专利名称：有源状态变量带通滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种有源滤波器，尤其涉及一种高精度低噪声的有源 状态变量带通滤波器。
背景技术：
抑制电路交流噪声干扰的滤波器，从实现方式上来讲分为无源滤波器 和有源滤波器两种。其中无源滤波器通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤 波)状态，给某次谐波电流构成一个低阻态通路。因为其成本较低，所以在目前比较常见。 不过，在PCB电路板面积、占用额外组件数量、组装时间、带通信号损失、对电感器造成的电 磁干扰以及容限方面，它又有一些缺点。电感器和电容通常会存在士 10%的个体差异，特别 是低成本组件的差异会更大一些。而有源滤波器由集成运放和R、C组成，具有不用电感、体 积小、重量轻等优点。而且集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成 有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。只要是采用高质量的电容与电阻，在 假定的放大器的自然带宽大大高于滤波器的截止频率的情况下，有源滤波器的可控性就远 远大于无源滤波器。此外，有源滤波器占用的PCB电路板面积也要小很多，只需要采购一个 元件，这样就大大的减少了元件的数量，因而广泛应用于各种测量仪器、通讯设备、遥控遥 测及其它需要信号处理的系统中，用来抑制电路中的交流信号干扰，从而得到纯净的有用 信号。它对于提高这些测量仪器和设备的性能起着极为重要的作用。但目前有源滤波器的 带内平整度及输出噪声不够理想，而且大多使用PCB工艺。发明内容本实用新型的目的是提供一种体积小、高精度、低噪声、可靠性高的有 源状态变量带通滤波器。本实用新型的目的是这样实现的，它是由差分输入电路、六阶低通滤波器、六阶高 通滤波器及差分输出电路组成；所述的差分输入电路将前级一输入信号1和另一输入信号 2转换为单端信号，并送给六阶低通滤波器、经六阶低通滤波器输出的低通信号送给六阶高 通滤波器，最后再由差分输出电路将单端信号转换为一输出信号1和另一输出信号2。所述的六阶低通滤波电路是由3个串联的二阶低通滤波电路构成。所述的六阶高通滤波电路是由3个串联的二阶高通滤波电路构成。所述的二阶低通滤波电路结构与二阶高通滤波电路结构相同。本实用新型输入端采用差分方式，抑制了信号中的共模干扰；六阶低通部分和六 阶高通部分均采用了 3个二阶滤波节的串联结构，且每个二阶滤波节设置了不同的Q值，能 够根据电路输出单独调节某个二阶滤波节，使得生产调试极为方便，提高了电路精度；输出 部分提供了差分输出方式，可根据实际应用情况选用；内部电阻均采用厚膜工艺印刷，减小 了电路面积。因此，该有源带通滤波器具有体积小、重量轻、集成度高、可靠性高、输出噪声 小、相位一致性及增益一致性好等优点，具有很高的实用价值。
图1为本实用新型的原理框图；图2为本实用新型的六阶低通滤波器的原理框图；图3为本实用新型的六阶高通滤波器的原理框图；图4为本实用新型电路原理图具体实施方式
参照图1，本实用新型的，实施例是双端输入，双端输出型状态变量滤波器；输入一定幅度交流信号，再经滤波输出特定频率范围15 20kHz的正弦波信号；它是由差分输入电路、六阶低通滤波器、六阶高通滤波器及差分输出电路组成。差分输入电 路将前级一输入信号1和另一输入信号2转换为单端信号，并送给后级六阶低通滤波器、 经六阶低通滤波器输出的低通信号送给六阶高通滤波器，最后再由差分输出电路将单端信 号转换为一输出信号1和另一输出信号2。图2示出本实用新型六阶低通滤波电路原理框 图，是3个串联的二阶低通滤波电路，完成六阶低通滤波功能。每个二阶低通滤波电路的基 本电路结构相同，但所用电阻值完全不同，因此每个二阶低通滤波电路所实现的功能各异。 图3示出本实用新型六阶高通滤波电路原理框图，是3个串联的二阶高通滤波电路，完成六 阶高通滤波功能。每个二阶高通滤波电路的基本电路结构虽然相同，但所用电阻值完全不 同，因此每个二阶高通滤波电路所实现的功能各异。所述的二阶低通滤波电路结构与二阶 高通滤波电路结构相同。参照图4，本实用新型的差分输入电路，是负输入信号IN-经第一 电容Cl与第一电阻Rl串联后接运算放大器IClC的反相输入脚9 ；正输入信号IN+经第二 电容C2与第二电阻R2串联后接运算放大器IClC的同相输入脚10 ；第三电阻R3 —端接运 算放大器IClC的反相输入脚9，另一端接运算放大器IClC的输出脚8 ；第四电阻R4 —端 接地，另一端接运算放大器IClC的同相输入脚10。所述的第一个二阶低通滤波电路，是第 i^一电阻R11、第十二电阻R12和第三电容C3与第一单运算放大器IClA构成比例积分电 路；第十七电阻R17、第十八电阻R18和第二运算放大器IClB构成一个反相放大器；第十六 电阻R16和第四电容C4与第三运算放大器IClD构成反相积分器；第十四电阻R14产生负 反馈，用来调整陷波频率点；第十五电阻R15产生正反馈，可对增益产生微调。其中第十一 电阻Rll —端接差分输入电路的运算放大器IClC的输出脚8，第十一电阻Rll另一端接第 一运算放大器IClA反相脚2 ；和第三电容C3并联的第十二电阻R12 —端接第一运算放大 器IClA输出脚1，另一端接第一运算放大器IClA反相输入脚2 ；第一运算放大器IClA同相 输入脚3接地；第十三电阻R13 —端接第一运算放大器IClA反相输入脚2，另一端接第三 运算放大器IClD输出脚14 ；第十四电阻R14 —端接差分输入电路的运算放大器IClC的输 出脚8，第十四电阻R14另一端接第二运算放大器IClB反相输入脚6 ；第十五电阻R15 —端 接差分输入电路的运算放大器IClC的输出脚8，第十五电阻R15另一端接第三运算放大器 IClD反相输入脚13 ；第十六电阻R16 —端接第三运算放大器IClD反相输入脚13，另一端 接第二运算放大器IClB输出脚7，即输出端；第十七电阻R17 —端接第一运算放大器IClA 输出脚1，另一端接第二运算放大器IClB反相输入脚6 ；第十八电阻R18 —端接第二运算放 大器IClB反相输入脚6，另一端接第二运算放大器IClB输出脚7 ；第四电容C4 一端接第三 运算放大器IClD输出脚14，另一端接第三运算放大器IClD反相输入脚13。第三运算放大 器IClD的同相输入脚12接地，第二运算放大器IClB的同相输入脚5接地。所述的第二个 二阶低通滤波电路，是第二十一电阻R21、第二十二电阻R22和第五电容C5与第四单运算 放大器IC2A构成比例积分电路；第二十七电阻R27、第二十八电阻R28和第五运算放大器 IC2B构成一个反相放大器；第二十六电阻R26和第六电容C6与第六运算放大器IC2D构成 反相积分器；第二十四电阻R24产生负反馈，用来调整陷波频率点；第二十五电阻R25产生 正反馈，可对增益产生微调；第二十一电阻R21与第二运算放大器IClB输出脚7相接。所 述的第三个二阶低通滤波电路，是第三十一电阻R31、第三十二电阻R32和第七电容C7与第 七单运算放大器IC3A构成比例积分电路；第三十七电阻R37、第三十八电阻R38和第八运算放大器IC3B构成一个反相放大器；第三十六电阻R36和第八电容C8与第九运算放大器IC3D构成反相积分器；第三十四电阻R34产生负反馈，用来调整陷波频率点；第三十五电阻 R35产生正反馈，可对增益产生微调；第三i^一电阻R31 —端接第五运算放大器IC2B的输 出脚7。所述的第一个二阶高通滤波电路，是第四十一电阻R41、第四十二电阻R42和第九电 容C9与第十单运算放大器IC4A构成比例积分电路；第四十七电阻R47、第四十八电阻R48 和第十一运算放大器IC4B构成一个反相放大器；第四十六电阻R46和第十电容ClO与第 十二运算放大器IC4D构成反相积分器；第四十四电阻R44产生负反馈，用来调整陷波频率 点；第四十五电阻R45产生正反馈，可对增益产生微调；第四十一电阻R41 —端接第八运算 放大器IC3B的输出脚7。所述的第二个二阶高通滤波电路，是第五十一电阻R51、第五十二 电阻R52和第十一电容Cll与第十三单运算放大器IC5A构成比例积分电路；第五十七电阻 R57、第五十八电阻R58和第十四运算放大器IC5B构成一个反相放大器；第五十六电阻R56 和第十二四电容C12与第十五运算放大器IC5D构成反相积分器；第五十四电阻R14产生负 反馈，用来调整陷波频率点；第五十五电阻R55产生正反馈，可对增益产生微调；第五十一 :」.:电阻R51 —端接第十一运算放大器IC4B的输出脚7。所述的第三个二阶高通滤波电路， 是第六十一电阻R61、第六十二电阻R62和第十三电容C13与第十六单运算放大器IC6A构 成比例积分电路；第六十七电阻R67、第六十八电阻R68和第十七运算放大器IC6B构成一 个反相放大器；第六十六电阻R66和第十四电容C14与第十八运算放大器IC6D构成反相 积分器；第六十四电阻R64产生负反馈，用来调整陷波频率点；第六十五电阻R65产生正反 馈，可对增益产生微调；第六十一电阻R61 —端接第十四运算放大器IC5B的输出脚7。第 十七运算放大器IC6B的输出脚7与差分输出电路的第五电阻一端相接，还与一个输出信号 coutl端相接；第五电阻R5的另一端与第十九运算放大器IC6C反相输入脚9相接；第六电 阻R6 —端与第十九运算放大器IC6C反相输入脚9相接，另一端与第十九运算放大器IC6C 输出脚8相接；第十九运算放大器IC6C同相输入脚经第七电阻R7接地，第十九运算放大器 IC6C的输出脚8接另一输出信号cout2端。其基本原理是输入一定幅度差分交流信号，经 差分输入级将前级输入信号转换为单端信号，再送给后级六阶低通滤波器产生一定截止频 率的低通信号，然后经六阶高通滤波器形成带通输出信号，最后由差分输出级电路转换为 双端信号输出。本实用新型电路采用多芯片集成电路设计，热设计，及可靠性设计。具体如 下实用新型产品外壳选用由外引脚、壳体和盖板构成的双列直插全密封金属结构，其中 外引脚镀金、壳体镀镍，采用平行缝焊密封，并在壳内充氮气保护。内部贴片元件包括裸芯 片和其他片式元件，内部裸芯片采用金丝球焊键合，瓷片为Al2O3陶瓷基板、导带和电阻采 用厚膜丝网印刷工艺。本实用新型图4 中的 IC1C、IC6C、IC1A、IC1B、IC1D、IC2A、IC2B、IC2D、IC3A、IC3B、 IC3D、IC4A、IC4B、IC4D、IC5A、IC5B、IC5D、IC6A、IC6B、IC6D 均为单运算放大器，其型号均 为 LF147。本实用新型元件参数图4中差分输入电路中的电容Cl = C2 = 1 μ F，电阻Rl = R2 = R3 = R4 = IOkQ。第一个二阶低通滤波电路中的电容C3 = C4 = 470pF,电阻Rll =52. 45k Ω R12 = 16. 73kQR13 = 24. 18k Ω R14 = 52. 56k Ω R15 = 24. 18k Ω R16 = 24. 18k Ω R17 = R18 = 16. 76k Ω ；第二个二阶低通滤波电路中的电容C5 = C6 = 470pF， 电阻 R21 = 91. 24kQ R22 = 35. 42 Ω R23 = 17. 90k Ω R24 = 43. 21k Ω R25 = 17. 91k ΩR26 = 17. 90k Ω R27 = R28 = 16. 77k Ω ；第三个二阶低通滤波电路中的电容C7 = C8 = 470pF，电阻 R31 = 1857. 89kQ R32 = 151. 80k Ω R33 = 16. 18k Ω R34 = 205. 27k Ω R35 =16. 19k Ω R36 = 16. 18k Ω R37 = R38 = 16. 77k Ω。第一个二阶高通滤波电路中的电 容 C9 = ClO = 680pF，电阻 R41 = R42 = 7. 39kQ R43 = 10. 68k Ω R44 = 15. 40k Ω R45 =33. 47kQR46 = 10. 68k Ω R47 = R48 = 15. 40k Ω ；第二个二阶高通滤波电路中的电容 Cll = C12 = 680pF，电阻 R51 = R52 = 28. 54kQ R53 = 14. 42k Ω R54 = 15. 40k Ω R55 =37. 15k Ω R56 = 14. 42kQR57 = R58 = 15. 40k Ω ；第三个二阶高通滤波电路中的电容 C13 = C14 = 680pF,电阻 R61 = R62 = 149. 67k Ω R63 = 15. 95k Ω R64 = 15. 40k Ω R65 =195. 25k Ω R66 = 15. 95k Ω R67 = R68 = 15. 40k Ω。差分输出电路中的电阻 R5 = R6 = IOkQ R7 = 5kQ。
权利要求有源状态变量带通滤波器，其特征是由差分输入电路、六阶低通滤波器、六阶高通滤波器及差分输出电路组成；所述的差分输入电路将前级一输入信号1和另一输入信号2转换为单端信号，并送给六阶低通滤波器、经六阶低通滤波器输出的低通信号送给六阶高通滤波器，最后再由差分输出电路将单端信号转换为一输出信号1和另一输出信号2。
2.根据权利要求1所述的有源状态变量带通滤波器，其特征是所述的六阶低通滤波 电路是由3个串联的二阶低通滤波电路构成。
3.根据如权利要求1所述的有源状态变量带通滤波器，其特征是所述的六阶高通滤 波电路是由3个串联的二阶高通滤波电路构成。
4.根据权利要求2或3所述的有源状态变量带通滤波器，其特征是所述的二阶低通 滤波电路结构与二阶高通滤波电路结构相同。
5.根据权利要求4所述的有源状态变量带通滤波器，其特征是负输入信号(IN-) 经差分输入电路的第一电容(Cl)与第一电阻(Rl)串联后接运算放大器(IClC)的反相 输入脚(9)；正输入信号(IN+)经第二电容(C2)与第二电阻(R2)串联后接运算放大器 (IClC)的同相输入脚(10)；第三电阻(R3) —端接运算放大器(IClC)的反相输入脚(9)， 另一端接运算放大器(IClC)的输出脚(8)；第四电阻(R4) —端接地，另一端接运算放大 器(IClC)的同相输入脚(10)；所述的第一个二阶低通滤波电路，是第十一电阻(Rll)、第 十二电阻(R12)和第三电容(C3)与第一单运算放大器(IClA)构成比例积分电路；第十七 电阻(R17)、第十八电阻(R18)和第二运算放大器(IClB)构成一个反相放大器；第十六电 阻(R16)和第四电容(C4)与第三运算放大器(IClD)构成反相积分器；第十四电阻(R14) 产生负反馈，用来调整陷波频率点；第十五电阻(R15)产生正反馈，可对增益产生微调；其 中第十一电阻(Rll) —端接差分输入电路的运算放大器(IClC)的输出脚(8)，第十一电阻 (Rll)另一端接第一运算放大器(IClA)反相脚(2)；和第三电容(C3)并联的第十二电阻 (R12) —端接第一运算放大器(IClA)输出脚(1)，另一端接第一运算放大器(IClA)反相输 入脚(2)；第一运算放大器(IClA)同相输入脚(3)接地；第十三电阻(R13) —端接第一运 算放大器(IClA)反相输入脚(2)，另一端接第三运算放大器(IClD)输出脚(14)；第十四 电阻(R14) —端接差分输入电路的运算放大器(IClC)的输出脚(8)，第十四电阻(R14)另 一端接第二运算放大器(IClB)反相输入脚(6)；第十五电阻(R15) —端接差分输入电路 的运算放大器(IClC)的输出脚(8)，第十五电阻(R15)另一端接第三运算放大器(IClD) 反相输入脚(13)；第十六电阻(R16) —端接第三运算放大器(IClD)反相输入脚(13)，另 一端接第二运算放大器(IClB)输出脚(7)，即输出端；第十七电阻(R17) —端接第一运算 放大器(IClA)输出脚(1)，另一端接第二运算放大器(IClB)反相输入脚(6)；第十八电阻 (R18) 一端接第二运算放大器(IClB)反相输入脚(6)，另一端接第二运算放大器(IClB)输 出脚(7)；第四电容(C4) 一端接第三运算放大器(IClD)输出脚(14)，另一端接第三运算放 大器(IClD)反相输入脚(13)；第三运算放大器(IClD)的同相输入脚(12)接地，第二运算 放大器(IClB)的同相输入脚(5)接地；所述的第二个二阶低通滤波电路，是第二十一电阻 (R21)、第二十二电阻(R22)和第五电容(C5)与第四单运算放大器(IC2A)构成比例积分电 路；第二十七电阻(R27)、第二十八电阻(R28)和第五运算放大器(IC2B)构成一个反相放 大器；第二十六电阻(R26)和第六电容(C6)与第六运算放大器(IC2D)构成反相积分器；第 二十四电阻R24产生负反馈，用来调整陷波频率点；第二十五电阻(R25)产生正反馈，可对增益产生微调；第二十一电阻(R21)与第二运算放大器(IClB)输出脚(7)相接；所述的第 三个二阶低通滤波电路，是第三十一电阻(R31)、第三十二电阻(R32)和第七电容(C7)与 第七单运算放大器(IC3A)构成比例积分电路；第三十七电阻(R37)、第三十八电阻(R38) 和第八运算放大器(IC3B)构成一个反相放大器；第三十六电阻(R36)和第八电容(C8)与 第九运算放大器(IC3D)构成反相积分器；第三十四电阻(R34)产生负反馈，用来调整陷波 频率点；第三十五电阻(R35)产生正反馈，可对增益产生微调；第三十一电阻(R31) —端接 第五运算放大器(IC2B)的输出脚(7)；所述的第一个二阶高通滤波电路，是第四十一电阻 (R41)、第四十二电阻(R42)和第九电容(C9)与第十运算放大器(IC4A)构成比例积分电 路；第四十七电阻(R47)、第四十八电阻(R48)和第十一运算放大器(IC4B)构成一个反相 放大器；第四十六电阻(R46)和第十电容(ClO)与第十二运算放大器(IC4D)构成反相积分 器；第四十四电阻(R44)产生负反馈，用来调整陷波频率点；第四十五电阻(R45)产生正反 馈，可对增益产生微调；第四十一电阻(R41) —端接第八运算放大器(IC3B)的输出脚(7)； 所述的第二个二阶高通滤波电路，是第五十一电阻(R51)、第五十二电阻(R52)和第十一 电容(Cll)与第十三单运算放大器(IC5A)构成比例积分电路；第五十七电阻(R57)、第 五十八电阻(R58)和第十四运算放大器(IC5B)构成一个反相放大器；第五十六电阻(R56) 和第十二电容(C12)与第十五运算放大器(IC5D)构成反相积分器；第五十四电阻(R54)产 生负反馈，用来调整陷波频率点；第五十五电阻(R55)产生正反馈，可对增益产生微调；第 五十一三电阻(R51) —端接第十一运算放大器(IC4B)的输出脚(7)；所述的第三个二阶高通滤波电路，是第六十一电阻(R61)、第六十二电阻(R62)和第十三电容(C13)与第十六 单运算放大器(IC6A)构成比例积分电路；第六十七电阻(R67)、第六十八电阻(R68)和第 十七运算放大器(IC6B)构成一个反相放大器；第六十六电阻(R66)和第十四电容(C14) 与第十八运算放大器(IC6D)构成反相积分器；第六十四电阻(R64)产生负反馈，用来调整 陷波频率点；第六十五电阻(R65)产生正反馈，可对增益产生微调；第六十一电阻(R61) — 端接第十四运算放大器(IC5B)的输出脚(7)；第十七运算放大器(IC6B)的输出脚(7)与 差分输出电路的第五电阻(R5) —端相接，还与一个输出信号(coutl)端相接；第五电阻 (R5)的另一端与第十九运算放大器(IC6C)反相输入脚(9)相接；第六电阻(R6) —端与第 十九运算放大器(IC6C)反相输入脚(9)相接，另一端与第十九运算放大器(IC6C)输出脚 (8)相接；第十九运算放大器(IC6C)同相输入脚经第七电阻(R7)接地，第十九运算放大器 (IC6C)的输出脚(8)接另一输出信号(Cout2)端。
专利摘要本实用新型公开了一种有源状态变量带通滤波器，由差分输入电路、六阶低通滤波器、六阶高通滤波器及差分输出电路组成；所述的差分输入电路将前级一输入信号1和另一输入信号2转换为单端信号，并送给六阶低通滤波器、经六阶低通滤波器输出的低通信号送给六阶高通滤波器，最后再由差分输出电路将单端信号转换为一输出信号1和另一输出信号2。本实用新型具有体积小、重量轻、精度高、可靠性高、集成度高和输出噪声小等优点。
文档编号H02J3/01GK201576938SQ20092022210
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者刘豫, 同军军, 王安, 王敏, 郑江信 申请人:天水七四九电子有限公司