通用有源濾波器UAF42的原理及應用

摘要：UAF42是美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器，它具有設計方便、使用靈活的特點。通過改變UAF42的電路參數可以構成各種滿足工程實際需要的濾波器。文中介紹了UAF42的引腳功能、內部結構和工作原理，并給出了由UAF42構成的雙極有源濾波器及60Hz限波電路的具體電路和參數設計。

關鍵詞：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對無用頻率信號進行抑制（或衰減）的電子裝置。工程上常用它來做信號處理、數據傳送和抑制干擾等。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，集成運放獲得了迅速地發展，由它和R、C組成的源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。此外，由于集成運放的開環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構成的有源濾波器應用日益廣泛。隨著微電子學的發展，人們已經可以把一些電阻和電容與運放集成在一塊芯片上構成通用有源濾波器（Universal Active Filter,UAF）。這種芯片集成度高，片內集成了設計濾波器所需的電阻和電容，在應用中只需極少數外部器件就可以很方便地構成一個源濾波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是這一類通用有源濾波器的代表。它可廣泛應用于高通、低通和帶通濾波器設計中。它采用典型的狀態可調（state-variable）模擬結構，內部集成了一個反向放大器和兩個積分器。該積器包括1000μF（±5%）的電容。因此較好的解決了有源波器設計中獲得低損耗（low-loss）電容的問題。

UAF42具有以下特點：

●通用性強，可根據需要設計成高通、低通、帶通和帶阻濾波器；

●設計簡單。BB公司還為UAF42專門設計了一個軟件，從而可以方便靈活地設計各種不同類型的濾波器。

●具有高精度頻率和高Q值；

●片內集成有1000pF±5%的電容。

2 UAF42的引腳功能和內部結構

UAF42的引腳排列和內部結構框圖分別如圖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構成有源波器

有源濾波器在電子產品中應用廣泛，但是其設計卻比較繁瑣費時。從UAF42的引腳和內部結構來看，利用UAF42進行有源濾波器的設計是十分方便的。同時，BB公司為方便基于UAF42的有源濾波器的設計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計算公式，設計人員可以根據工程需要進行有源濾波器的設計。圖3給出了一個非反向輸入端雙極點的有源濾波器電路。電路的各參數的計算公式如下：

在上式中，ωn是有源濾波器電路的固有頻率；Q是品質因數；ALP、AHP、ABP分別是濾波器的有低通、高C1=C2=1000pF，這樣，再選擇適當使R1=R2=R4=50kΩ，C1=C2=1000pF，這樣，再選擇適當的RG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設計的一個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放的非反向輸入端。在頻率為60Hz時，濾波器高通和低通的幅度相同而相位相差180度，因此在60Hz時輔助運放的輸出為0。其限濾頻率fnotch由下式決定：

fnotch=（ALPRz2/AHPPZ1）1/2 f0

式中，ALP是當f等于0時在低通輸出端的增益值；AHP是當f遠大于f0時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，該發波電路的限波頻率與帶寬和品質因數有如下的關系：

BW-3dB=fnotch/Q

其中品質因數Q由下式決定：

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的兩點之間的頻差，進而可以求出電阻RQ的值。

在實際電路中，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 結束語

BB公司的通用有源濾波器UAF42具有集成度高、設計方便簡單和使用靈活的特點。在實際應用設計中，應根據工程需要適當改變通用有源濾波器UAF42的電路參數值以盡快實現各種頻率的濾波。