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由运算放大器构成的有源滤波器

2021-01-03

电源是电子设备中必备的基本部件,纹波是电源的重要指标。电源输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到。因滤波不干净,直流电压中含有交流成分,这个交流成分就是纹波。纹波过大对高放、本振、混频、检波等电路产生影响,严重时可影响电路正常工作,在传统L型和型滤波器中,电感和电容起主导作用,要好的滤除效果,必须加大电感值和电容值,但是电感不能做得很大,电容量增加到一定值时对纹波抑制作用有限。采用多极LC滤波器导致电路复杂,影响系统稳定。由运算放大器与RC元件组成的有源滤波器能有效抑制纹波。其能最大限度衰减纹波,降低纹波幅度。工作原理如下。电路原理图如图1所示,其滤波部分由一个运算放大器和一些阻容元件构成,如图2所示,将它看成一个二端滤波元件接在电源滤波电路中,能将整流电路送来的脉动直流中的交流成份全部滤掉,输出近乎没有纹波的直流;此时有源滤波器可以看成对任何交流成份近乎短路的有源电容。图1图2将有源滤波器看成一个反相输入的交流放大器,如图3所示,放大器的输入和输出在点迭加后再作为滤波器的总的输出。图3在图3中,若忽略C1、C2对输入电压和输出电压的衰减作用:Vi=R1IiV0=R2I0从图3可知Vi=-I0图3滤波器增益021iV=G-R/RV=当R2=R1时。G=-1(1)在点,放大器的输入电压Vi和输出电压V0大小相等、相位相反,迭加的结果为零。交流放大和迭加的总体效果相当于将交流完全滤除。也就是将电路中纹波完全滤除,这是一种理想情况。若考虑C1、C2衰减作用,及R1、R2,则在点将有汶波输出,其幅度由C1、C2及R1、R2的相关参数决定,假设在全波整流滤波电路输入是正弦波电压,则全波整流滤波输出的脉动直流电压。频谱用式(2)表示。(7)(8)(7)(8)(7)(8)n1mmn122V4V1Vt1cos2nwtn1,2,3e4e1?(10)(28)(28)(10)-(28)-?,(43)2-1(2)式中的Vm为输入交流电压幅值。从式(2)可以看出脉动直流是一定直流成分和多种谐波按一定的比例迭加而成,其中谐波的频率越高,其所占的比例越小。全波整流输出的脉动直流电压是直流电压与多种频率的交流电压组合,有源滤波可以将交流电压滤除。(各种谐波电压)各种频率的谐波经过反向输入的放大器后,输入与输出在迭加,由于输入与输出相位相反,放大器的增益G=-1。放大器总的输出为零。输出直流电压,最大限度滤除纹波。以上分析是一种理想情况,实际情况是:a,考虑C1、C2对输入和输出的衰减作用b,运算放大器的输出与输入不同步总存在一定的延时c,运算放大器的增益不能满足G=-1,存在一些偏差设在某一时刻到达点某一频率fk的谐波电压Vk(t),表示为该时刻Vkmcoswkt和该时刻之前J(J=1、2、3……)时刻到达点并由放大器反复作用J次后的谐波电压迭加和。(3)时刻t在点纹波电压为各种谐波的总和即:(7)(8)(7)(8)kkVt=?Vt(4)由(3)看出,任一特定频率的谐波电压大小由三个因子(1+G)j、coswk(t+j)和Vkm决定,放大器增益G接近-1,(1+G)j将更加趋近零,放大器的延时越小,coswk(t+j)累加和相互抵消作用越强,对纹波抑制能力越强。从(4)式看,总的纹波电压是各种可能频率谐波的迭加和,从理论上说,谐波的频率种类是无穷的,但从(2)式看,各种频率谐波的电压幅值随着频率增高按二次曲线规律迅速减小,极性正负相间,相互抵消,在这样的机理作用下。

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