二阶压控电压源低通滤波器
3 滤波器
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
— 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。滤波器相当于一个电压源。其优点是：电路性能稳定，增益容易调节。它能够使有用信号通过且同时抑制无用信号。工程上常用作信号处理、数据传送和抑制干扰等。低通滤波器具有通低频阻高频的特点。由集成运放和R、C元件组成的有源滤波电路，具有不用电感元件、体积小、重量轻等优点。而且由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，且输出阻抗低，它构成的有源滤波电路还具有一定的电压放大和缓冲作用。
3.1 滤波器介绍
电视机和一些电子产品中常用的滤波器有陶瓷滤波器、声表面滤波器、陶瓷陷波器和陶瓷鉴频器等。
-3.2 有源滤波器
—有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。
由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。但它仍有许多课题有待进一步研究：理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%～30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。
3.3 滤波器的应用和特点
有源滤波器是一种应用相当广泛的滤波器。随着集成运放的不断发展和完善，有源滤波器的应用更加广泛。实践证明，在有源滤波器中，集成运放是一个非常有用的有源电子单元。在无线技术领域中，集成运放滤波器应用相当广泛。它有如下特点。
优点：
1)在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低。
2)无需阻抗匹配。
3)可方便地制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器。
4)可得到一定的增益。
5)如果使用电位器、可变电容调整，可使滤波器的精度达到0.5%。
6)由于采用集成电路，故受机械振动、温度、湿度以及化学环境影响小。
7)不易受电磁干扰。
8)设计、计算、调试方便简单。
缺点：
1)制作频率特性较陡的滤波器比较困难。
2)需使用电源，功耗可到数瓦。
3)噪声较大，通常约是几微伏到几毫伏。
4)从目前集成运放的性能来看，有源滤波器还不适用于高频范围，通常使用频率在几十千赫以下。
因此，集成运放有源滤波器可广泛的用于低频、甚低频范围。
一般说来，从通带性能看，有源滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）等。从通带滤波器特性看，有源滤波器可分为最大平直型（伯特沃斯型）滤波器、纹波型（契比雪夫型）滤波器、线性相位型（贝塞尔型）滤波器等。从集成运放作为有源滤波器看，有源滤波器可分为无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、无限增益多态反馈电路型滤波器、负阻变换型滤波器、回转器型滤波器等。
3.4 低通滤波器介绍
3.4.1 低通滤波器的主要技术指标
（1）通带增益Avp
通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图3.01所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。
（2）通带截止频率fp
其定义与放大电路的上限截止频率相同，见图3.01。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。
图3.01 LPF的幅频特性曲线
3.4.2 简单一阶低通有源滤波器
一阶低通滤波器的电路如图3.02所示，其幅频特性见图3.03，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
图3.02 一阶LPF 图3.03 一阶LPF的幅频特
3.4.3简单二阶低通有源滤波器
为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图3.04所示，幅频特性曲线如图3.05所示。
图3.04 二阶LPF 图3.05二阶LPF的幅
3.4.4 二阶压控型低通有源滤波器
（1）二阶压控型LPF
二阶压控型低通有源滤波器如图3.06所示。其中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然，C1的改接不影响通带增益。
图3.06 二阶压控型LPF 图3.07 二阶压控型6.硬件制作电路以及调试的总结
6.1 设计压控有源低通滤波器并仿真
设计条件：fc=3kHz
图1-3EWB方针电路图