一种带通滤波电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种带通滤波电路，其包括：第一运算放大器，第二运算放大器，第三运算放大器，第四运算放大器，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第一电容器和第二电容器；其中所述带通滤波电路中的第二运算放大器与第三电阻、第四电阻和第五电阻一起构成一个求和放大器，而第三运算放大器与第一电阻、第二电阻、第六电阻以及第一电容器和第二电容器一起构成一个二阶带通滤波器，而所述求和放大器和所述二阶带通滤波器组合在一起形成一个复合带通滤波器，所述第一运算放大器和所述第四运算放大器用作电压跟随器。
【专利说明】一种带通滤波电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带通滤波电路。
【背景技术】
[0002]对于输入带通滤波电路的信号，通常希望通带外的信号增益在极小的频率范围内迅速下降，这种增益下降的陡峭程度与带通滤波器的Q值相关，Q值越大，下降速度越快。一般情况下，Q值越大，电路的阶次越高，制造成本也就越高。
[0003]目前，带通滤波的设计已经有多种方案。有的方案简单，但电路系统的阶次较低，难以实现增益从通带到阻带的快速过渡，即Q值较低。有的方案复杂，电路系统的阶次也高，能够实现较好的陡峭程度，但是在电路的实际制造时，成本过高。此外，其他一些方案不仅有上述缺点，而且采用了一些难以集成制造的元器件，例如电感元件，导致电路制造的集成度大打折扣。
[0004]综上所述，现有方案存在的主要缺点为:带通滤波电路的阶次和Q值存在矛盾关系。这就导致难以用低阶次的方式去实现一个高Q值的电路特性。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种带通滤波电路，其包括:
[0006]第一运算放大器，第二运算放大器，第三运算放大器，第四运算放大器，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第一电容器和第二电容器；
[0007]其中所述第一运算放大器的正输入端接收输入信号，其负输入端连接其输出端，其输出端还连接至第三电阻的一端，而该第三电阻的另一端分别连接至第四电阻的一端、第五电阻的一端、以及第二运算放大器的负输入端，该第二运算放大器的正输入端接地，该第二运算放大器的输出端分别连接第五电阻的另一端和第一电阻的一端，该第一电阻的另一端分别连接第六电阻的一端、第一电容器的一端和第二电容器的一端，第六电阻的另一端接地，该第一电容器的另一端连接第二电阻器的一端，该第一电容器的另一端还连接第三运算放大器的输出端，第二电容器的另一端连接第二电阻器的另一端，该第二电容器的另一端还连接第三运算放大器的负输入端，第三运算放大器的正输入端接地，第四电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，该第三运算放大器的输出端还连接至第四运算放大器的正输入端，该第四运算放大器的负输入端连接其输出端。
[0008]其中，第一电阻的阻值为44.2kQ，第二电阻的阻值为88.7kQ，第三电阻的阻值为301kQ ;第四电阻的阻值为121kQ，第五电阻的阻值为IOOkQ，第六电阻的阻值为221 第一电容器和第二电容器的电容值均为10nF。
[0009]其中，所述第一运算放大器和所述第四运算放大器分别用作为电压跟随器。
[0010]通过比较现有的技术方案，本发明提出的带通滤波电路可以在实现较低阶次的前提下，具有较高Q值，从而使通带和阻带的频率转移间隔更窄，使得带通滤波能够在通带和阻带之间快速过渡，实现了更加陡峭的频率截止特性和更好的滤波效果。【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的复合带通滤波电路的原理图；
[0012]图2是常规的二阶带通滤波电路的原理图。
【具体实施方式】
[0013]图1是本发明的复合带通滤波电路的原理图。如图所示，本发明的带通滤波电路包括:第一运算放大器0P1，第二运算放大器0P2，第三运算放大器0P3，第四运算放大器0P4，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第一电容器Cl和第二电容器C2。其中,第一运算放大器OPl的正输入端接收输入信号,其负输入端连接其输出端，其输出端还连接至第三电阻R3的一端，而该第三电阻R3的另一端分别连接至第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端、以及第二运算放大器0P2的负输入端，该第二运算放大器0P2的正输入端接地，该第二运算放大器0P2的输出端分别连接第五电阻R5的另一端和第一电阻Rl的一端，该第一电阻Rl的另一端分别连接第六电阻R6的一端、第一电容器Cl的一端和第二电容器C2的一端,第六电阻R6的另一端接地,该第一电容器Cl的另一端连接第二电阻器R2的一端，该第一电容器Cl的另一端还连接第三运算放大器0P3的输出端，第二电容器C2的另一端连接第二电阻器R2的另一端，该第二电容器C2的另一端还连接第三运算放大器0P3的负输入端，第三运算放大器0P3的正输入端接地，第四电阻R4的另一端连接第三运算放大器0P3的输出端，该第三运算放大器0P3的输出端还连接至第四运算放大器0P4的正输入端，该第四运算放大器0P4的负输入端连接其输出端。
[0014]所述第一运算放大器OPl用作一个电压跟随器，用于接收输入信号V (in)，在所述带通滤波电路中加入该第一运算放大器OPl，这可以增大所述带通滤波电路的输入阻抗，防止输入信号产生衰减。
[0015]所述第四运算放大器0P4用作另一个电压跟随器，用于输出信号V(OUt)。在所述带通滤波电路中加入该第四运算放大器0P4，这可以减小所述带通滤波电路的输出阻抗，防止后级电路对输出信号产生负载效应。
[0016]所述带通滤波电路中的第二运算放大器0P2与第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5 —起构成一个求和放大器，而第三运算放大器0P3与第一电阻R1、第二电阻R2、第六电阻R6以及第一电容器Cl和第二电容器C2 —起构成一个二阶带通滤波器，而所述求和放大器和所述二阶带通滤波器组合在一起形成一个复合带通滤波器，这样的复合带通滤波器在保持阶次和中心频率的同时，提高了复合带通级的Q值。经过复合带通滤波器的滤波，通带内的信号被选择，阻带内的信号被阻止，形成了较窄的通带和阻带之间的过渡带；最后通带内的信号经由所述第四运算放大器0P4构成的电压跟随器输出。
[0017]下面将具体说明本发明的带通滤波电路是如何以低阶次来实现高Q值的。
[0018]图2是常规的二阶带通滤波电路的原理图。为了能更清楚的显示出对比结果，图2所示的电路使用了同图1所示的电路中相同的第一电阻R1、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容器Cl、第二电容器C2以及第三运算放大器0P3，还有相同的输入信号V (in)。
[0019]在图2中，对于节点电压V1而言，第三运算放大器0P3起到了微分器的作用，所以
V(out)可以表示如下:[0020]V(OUt)=-S R2C2V1 (I)
[0021]其中，s表示复数频率。
[0022]根据戴维南等效定理，将电阻Rl和R6的值等效为R’，其中Rl I I R6=R’，所述“R1 R6”表示Rl与R6并联，大小关系为:1/R，=1/(Rl)+1/(R6);对节点A的电流分析可得:
[0023][V(in) -V1]/R，+[V(out)-V1] SC1+[O-V1] s C2=O (2)
[0024]令s取jw，代入上式，结合式(I)可得，
[0025]H(jw) =V(out)/V(in) = [-jw R2C2]/[1-W2Rj R2C1C2+jw R，(CfC2)] (3)
[0026]为了方便讨论，令第一电容器Cl和第二电容器C2的电容值相等，即C1=C2=C ;将式
(3)表示为标准二阶响应式，可得中心频率%、Q值和谐振增益H的表达式:
[0027]W0= I/C(RJ R2)172 (4)
[0028]Q=(R2/R，)1/2/2 (5)
[0029]H=-(R2/2R> ) (R1)Z(R^R6) (6)
[0030]分析以上三式，可得出:在一定的中心频率Wtl的前提下，即通过信号的中心频率的前提下，过高的Q值必然会导致更高的H值，H值过大将会导致运算放大器处于饱和状态，以致使带通滤波器无法工作。所以如果单独使用图2所示的带通滤波器，在保证二阶次和W0的前提下，将无法获得较高的Q值，`也就不能在通带和阻带之间进行快速过渡。
[0031]下面将结合图1来说明本发明的带通滤波电路可以在保持Wtl和二阶次的前提下，提闻Q值。
[0032]由于第一运算放大器OPl和第四运算放大器0P4构成电压跟随器，第二运算放大器0P2和第三阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5 —起构成求和放大器，结合对图2的分析及上述公式，可以得到:
[0033]V(out) =H*H(jw) [-(R5/R3) V(in) -(R5/R4) V(out) ] (7)
[0034]将式(7)整理可得到复合带通滤波器的传递函数:
[0035]V (out) /V (in) =Hnew[ (jw/ff0) /Qnew] / [1- (w/ff0) 2+(jw/ff0) /Qnew] (8)
[0036]其中\、Qnew和Hmw分别为复合带通滤波器的中心频率、复合Q值和复合谐振增益Hn6w,它们的表达式如下:
[0037]W0= I/C(RJ R2)172 (9)
[0038]Qnew=Q/ [ I + (R5/R4) H] (10)
[0039]Hnew=-(R5/R3) (Q廳/Q) H (11)
[0040]从式(8)可以得到本发明的带通滤波电路仍然保持二次响应。
[0041]对比公式(9)- (11)和公式(4)- (6)，可以得出:在保持图2中的二阶带通滤波器的中心频率Wtl和阶次的同时，相对比于图1中的带通滤波器，实现了更高的Qn6w值，同时在保持较高Q-值的同时，可以调节谐振增益HnOT。例如，使第四电阻R4的值不变，通过改变第五电阻R5的值来调节Qnew值，然后通过改变第三电阻R3来调节Hnew值。通过比较现有的技术方案，本发明提出的带通滤波电路可以在实现较低阶次的前提下，具有较高Q值，从而使通带和阻带的频率转移间隔更窄，使得带通滤波能够在通带和阻带之间快速过渡，实现了更加陡峭的频率截止特性和更好的滤波效果。
[0042]另外，本发明提供一个实例来更加具体的说明。[0043]例如，可以使Rl=44.2kQ ;R6=221 Q ;R2=88.7kQ ;R3=301kQ ;R4=121kQ ;R5=100kQ ；Cl=C2=10nF ；
[0044]在图2所示的带通滤波电路中采用上述元器件，根据公式(4)、(5)、(6)可得:
[0045]ff0=22608 (rad/s);
[0046]Q=IO;
[0047]H|=l (V0Ai)；
[0048]在本发明提供的图1所示的带通滤波电路中，根据公式(9)、(10)、(11)可得:
[0049]ff0=22608 (rad/s);
[0050]Q廳=60 ；
[0051]Hnew I =2 (V0Ai);
[0052]对比上述计算结果，可以得出:
[0053]在保持中心频率Wtl和阶次的同时，本发明的复合带通滤波器实现了更高的Qnrat值，同时在保持较高Qnrat的同时，可以调节谐振增益Hn?。例如，所举例子中，|HnOT|=2 (V0Ai)o
[0054]本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所`有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。
[0055]对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。
[0056]本发明的方式
[0057]以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。
[0058]工业应用性
[0059]如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。
【权利要求】
1.一种带通滤波电路，其包括: 第一运算放大器，第二运算放大器，第三运算放大器，第四运算放大器，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第一电容器和第二电容器； 其中所述第一运算放大器的正输入端接收输入信号，其负输入端连接其输出端，其输出端还连接至第三电阻的一端，而该第三电阻的另一端分别连接至第四电阻的一端、第五电阻的一端、以及第二运算放大器的负输入端，该第二运算放大器的正输入端接地，该第二运算放大器的输出端分别连接第五电阻的另一端和第一电阻的一端，该第一电阻的另一端分别连接第六电阻的一端、第一电容器的一端和第二电容器的一端，第六电阻的另一端接地，该第一电容器的另一端连接第二电阻器的一端，该第一电容器的另一端还连接第三运算放大器的输出端，第二电容器的另一端连接第二电阻器的另一端，该第二电容器的另一端还连接第三运算放大器的负输入端，第三运算放大器的正输入端接地，第四电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，该第三运算放大器的输出端还连接至第四运算放大器的正输入端，该第四运算放大器的负输入端连接其输出端。
2.根据权利要求1的带通滤波电路，其中第一电阻的阻值为44.2kQ，第二电阻的阻值为88.7kQ，第三电阻的阻值为301kQ ;第四电阻的阻值为121kQ，第五电阻的阻值为IOOkQ，第六电阻的阻值为221 Q，第一电容器和第二电容器的电容值均为10nF。
3.根据权利要求1或2的带通滤波电路，其中所述第一运算放大器和所述第四运算放大器分别用作为电压跟随器。
【文档编号】H03H11/46GK103560767SQ201310504505
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】焦再强, 王启银, 武登峰, 胡冰, 李笑天, 罗昕, 施俊国, 赵锐 申请人:国家电网公司, 山西省电力公司大同供电分公司