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          由運算放大器構成的有源濾波器

          2021-01-03

          電源是電子設備中必備的基本部件,紋波是電源的重要指標。電源輸出的直流電壓是由交流電壓經整流、濾波、穩壓后得到。因濾波不干凈,直流電壓中含有交流成分,這個交流成分就是紋波。紋波過大對高放、本振、混頻、檢波等電路產生影響,嚴重時可影響電路正常工作,在傳統L型和型濾波器中,電感和電容起主導作用,要好的濾除效果,必須加大電感值和電容值,但是電感不能做得很大,電容量增加到一定值時對紋波抑制作用有限。采用多極LC濾波器導致電路復雜,影響系統穩定。由運算放大器與RC元件組成的有源濾波器能有效抑制紋波。其能最大限度衰減紋波,降低紋波幅度。工作原理如下。電路原理圖如圖1所示,其濾波部分由一個運算放大器和一些阻容元件構成,如圖2所示,將它看成一個二端濾波元件接在電源濾波電路中,能將整流電路送來的脈動直流中的交流成份全部濾掉,輸出近乎沒有紋波的直流;此時有源濾波器可以看成對任何交流成份近乎短路的有源電容。圖1圖2將有源濾波器看成一個反相輸入的交流放大器,如圖3所示,放大器的輸入和輸出在點迭加后再作為濾波器的總的輸出。圖3在圖3中,若忽略C1、C2對輸入電壓和輸出電壓的衰減作用:Vi=R1IiV0=R2I0從圖3可知Vi=-I0圖3濾波器增益021iV=G-R/RV=當R2=R1時。G=-1(1)在點,放大器的輸入電壓Vi和輸出電壓V0大小相等、相位相反,迭加的結果為零。交流放大和迭加的總體效果相當于將交流完全濾除。也就是將電路中紋波完全濾除,這是一種理想情況。若考慮C1、C2衰減作用,及R1、R2,則在點將有汶波輸出,其幅度由C1、C2及R1、R2的相關參數決定,假設在全波整流濾波電路輸入是正弦波電壓,則全波整流濾波輸出的脈動直流電壓。頻譜用式(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為輸入交流電壓幅值。從式(2)可以看出脈動直流是一定直流成分和多種諧波按一定的比例迭加而成,其中諧波的頻率越高,其所占的比例越小。全波整流輸出的脈動直流電壓是直流電壓與多種頻率的交流電壓組合,有源濾波可以將交流電壓濾除。(各種諧波電壓)各種頻率的諧波經過反向輸入的放大器后,輸入與輸出在迭加,由于輸入與輸出相位相反,放大器的增益G=-1。放大器總的輸出為零。輸出直流電壓,最大限度濾除紋波。以上分析是一種理想情況,實際情況是:a,考慮C1、C2對輸入和輸出的衰減作用b,運算放大器的輸出與輸入不同步總存在一定的延時c,運算放大器的增益不能滿足G=-1,存在一些偏差設在某一時刻到達點某一頻率fk的諧波電壓Vk(t),表示為該時刻Vkmcoswkt和該時刻之前J(J=1、2、3……)時刻到達點并由放大器反復作用J次后的諧波電壓迭加和。(3)時刻t在點紋波電壓為各種諧波的總和即:(7)(8)(7)(8)kkVt=?Vt(4)由(3)看出,任一特定頻率的諧波電壓大小由三個因子(1+G)j、coswk(t+j)和Vkm決定,放大器增益G接近-1,(1+G)j將更加趨近零,放大器的延時越小,coswk(t+j)累加和相互抵消作用越強,對紋波抑制能力越強。從(4)式看,總的紋波電壓是各種可能頻率諧波的迭加和,從理論上說,諧波的頻率種類是無窮的,但從(2)式看,各種頻率諧波的電壓幅值隨著頻率增高按二次曲線規律迅速減小,極性正負相間,相互抵消,在這樣的機理作用下。

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