通用有源濾波器UAF42的原理及應(yīng)用

摘要：UAF42是美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器，它具有設(shè)計(jì)方便、使用靈活的特點(diǎn)。通過改變UAF42的電路參數(shù)可以構(gòu)成各種滿足工程實(shí)際需要的濾波器。文中介紹了UAF42的引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出了由UAF42構(gòu)成的雙極有源濾波器及60Hz限波電路的具體電路和參數(shù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：濾波器 限波器 UAF42

1 概述

濾波器是一種能使有用信號順利通過而同時(shí)對無用頻率信號進(jìn)行抑制（或衰減）的電子裝置。工程上常用它來做信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。以往主要采用無源元件R、L和C組成模擬濾波器，六十年代以來，集成運(yùn)放獲得了迅速地發(fā)展，由它和R、C組成的源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又很低，而且，由其構(gòu)成的有源濾波器還具且一定的電壓放大和緩沖作用。因此，基于放大器和R、C構(gòu)成的有源濾波器應(yīng)用日益廣泛。隨著微電子學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以把一些電阻和電容與運(yùn)放集成在一塊芯片上構(gòu)成通用有源濾波器（Universal Active Filter,UAF）。這種芯片集成度高，片內(nèi)集成了設(shè)計(jì)濾波器所需的電阻和電容，在應(yīng)用中只需極少數(shù)外部器件就可以很方便地構(gòu)成一個(gè)源濾波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是這一類通用有源濾波器的代表。它可廣泛應(yīng)用于高通、低通和帶通濾波器設(shè)計(jì)中。它采用典型的狀態(tài)可調(diào)（state-variable）模擬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成了一個(gè)反向放大器和兩個(gè)積分器。該積器包括1000μF（±5%）的電容。因此較好的解決了有源波器設(shè)計(jì)中獲得低損耗（low-loss）電容的問題。

UAF42具有以下特點(diǎn)：

●通用性強(qiáng)，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成高通、低通、帶通和帶阻濾波器；

●設(shè)計(jì)簡單。BB公司還為UAF42專門設(shè)計(jì)了一個(gè)軟件，從而可以方便靈活地設(shè)計(jì)各種不同類型的濾波器。

●具有高精度頻率和高Q值；

●片內(nèi)集成有1000pF±5%的電容。

2 UAF42的引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

UAF42的引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1和圖2所示，各管腳的功能如表1所列。

表1 UAF42的引腳功能

3 利用UAF42構(gòu)成有源波器

有源濾波器在電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，但是其設(shè)計(jì)卻比較繁瑣費(fèi)時(shí)。從UAF42的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，利用UAF42進(jìn)行有源濾波器的設(shè)計(jì)是十分方便的。同時(shí)，BB公司為方便基于UAF42的有源濾波器的設(shè)計(jì)還提供了不少可供參考資料，這些參考資料給出了具體的濾波器參數(shù)計(jì)算公式，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)工程需要進(jìn)行有源濾波器的設(shè)計(jì)。圖3給出了一個(gè)非反向輸入端雙極點(diǎn)的有源濾波器電路。電路的各參數(shù)的計(jì)算公式如下：

在上式中，ωn是有源濾波器電路的固有頻率；Q是品質(zhì)因數(shù)；ALP、AHP、ABP分別是濾波器的有低通、高C1=C2=1000pF，這樣，再選擇適當(dāng)使R1=R2=R4=50kΩ，C1=C2=1000pF，這樣，再選擇適當(dāng)?shù)腞G和RQ的值就可以確定Q以及濾波電路的增益。

圖4是筆者利用UAF42設(shè)計(jì)的一個(gè)60Hz的限波電路。在該電路中，UFA42的高通輸出和低通輸出分別接輔助運(yùn)放的非反向輸入端。在頻率為60Hz時(shí)，濾波器高通和低通的幅度相同而相位相差180度，因此在60Hz時(shí)輔助運(yùn)放的輸出為0。其限濾頻率fnotch由下式?jīng)Q定：

fnotch=（ALPRz2/AHPPZ1）1/2 f0

式中，ALP是當(dāng)f等于0時(shí)在低通輸出端的增益值；AHP是當(dāng)f遠(yuǎn)大于f0時(shí)在高通輸出端的增益值。

一般情況下，可以使（ALPTz2/AHPRZ1）1/2=1，這樣fnotch等于f0,而f0的值由fo=1/2πRfCc決定：

其中，RF=RF1=RF2，C=C1=C2，電路中RF1=RF2=2.65MΩ，C1=C2=1000pF。另外，該發(fā)波電路的限波頻率與帶寬和品質(zhì)因數(shù)有如下的關(guān)系：

BW-3dB=fnotch/Q

其中品質(zhì)因數(shù)Q由下式?jīng)Q定：

Q=RZ3/Rz1=Rz3/Rz2=12.1/2≈6

這樣該限波電路的帶寬，BW-3dB為10Hz，它是增益為-3dB的兩點(diǎn)之間的頻差，進(jìn)而可以求出電阻RQ的值。

在實(shí)際電路中，RQ的值可選擇為4.99kΩ。

圖5給出了該限波器的輸出特性曲線。

4 結(jié)束語

BB公司的通用有源濾波器UAF42具有集成度高、設(shè)計(jì)方便簡單和使用靈活的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程需要適當(dāng)改變通用有源濾波器UAF42的電路參數(shù)值以盡快實(shí)現(xiàn)各種頻率的濾波。