必发365乐趣网投登入:滤波电路原理分析

来源:未知作者:科学研究 日期:2020/01/20 00:56 浏览:

1、大旨频率对应的时间常数

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中间转播频率相通的高、低通滤波器合成带通电路,高低通的转载频率都在同一些,该频率的时域信号幅度在传输进度被高低通即使衰减3+3dB,可是在uo输出幅度最大,也是大旨频率点,即fc=fo=1/4RC。移项得电阻电容总括式奥迪Q5=30%fcC和C=百分之四十fcLacrosse。举个例子主旨频率fc=100KHz,则库罗德=1.592K,C=1nf。

滤波的基本概念

摘要:最早,录制滤波器是二个无源的LC电路,周围是放大装置。今后将放大装置与RC滤波器结合起来,能够获取尺寸更加小、功能更加高的设计,其余,七十世纪60时期发展兴起的灵敏度剖判与预失真方法也制伏了开始时期滤波器品质比较糟糕的败笔。 高质量运放和PC上的专项使用软件方便了宽带有源滤波器的设计,但那未尝缓慢解决任性特定应用的难点。对摄像滤波器来说,特定的应用与信号制式给每一种电路设计都推动了一线的差异。以下是两类重要的摄像应用。抗混叠滤波器:那生龙活虎类器件被停放在模数调换器(ADCState of Qatar在此之前,用来衰减非能量信号中Nyquist频率以上的成分,即高于ADC采样率二分之一的时限信号分量。那个滤波器的响应平常都统筹得硬着头皮陡,指标是尽量将停止频率¹以上的数字信号统统滤掉。对ITU-601以致其它使用来讲,这样的属性是由此将效仿滤波器、数字滤波器以至过采集样板ADC结合使用来兑现的。而对PC图像之类的选择,少些的滤波就足足了。重新建构滤波器:也被称作(sinx卡塔尔/x或零阶保持改善器,那类器件被停放在数模调换器(DAC卡塔尔之后,用来裁撤由采集样板带给的多种印象,并非为着破除DAC石英钟串扰。重新建立滤波器很罕有象抗混叠滤波器那样的选取性,因为DAC的维系功效也可以有滤波的功能这种功用减弱了对选用性的供给,但给响应带来了损失。现成的录像时限信号制式包罗奥迪Q5GB、分量录制、复合录像和TiggoGB PC图像等。全体应用与制式都盼望录制滤波器能到位相位线性,那是群延时(分化频率的延时卡塔尔本性所必要的。所需的相位线性度决意于具体的利用与录制制式。举例,抗混叠滤波器与份量制式比重新创建应用与复合录制的渴求更严刻。种种应用与制式的渴求由NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA规定。本文将对两样的滤波器作一相比较,以便依照给定的接受或制式鲜明最棒的兼顾。比较了Rauch和Sallen-Key二种档案的次序滤波器的GBW与甘休频率之比率,在两全中接收预失真与参量灵敏度本领来拿到高精度。被侦查的滤波器包蕴:

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滤波是非确定性信号管理中的一个至关首要概念。滤波分杰出滤波和现代滤波。

ITU-601抗混叠滤波器 20MHz抗混叠与重新建设构造滤波器 HD电视机重新创立滤波器 滤波器及其特点

2、通频带对应的时间常数

精华滤波的定义,是依赖富立叶分析和转移提议的二个工程概念。依据高档数学理论,任何八个知足一定原则的非随机信号,都能够被视作是由Infiniti个正弦波叠合而成。换句话说,便是工程功率信号是不一样频率的正弦波线性叠合而成的,组成实信号的例外频率的正弦波叫做时限信号的频率成分或称为谐波成分。只同意一定频率范围内的时域信号成分寻常通过,而阻止另意气风发部分频率成分通过的电路,叫做突出滤波器或滤波电路。

无论是是用以抗混叠仍然重新创建,滤波器都必须要持有低通性格,使摄像的帧频能够因而。由此,设计者须求从长商议AC耦合。低通滤波器能够依赖其调幅天性或用于描述它的多项式来分类(贝丝el、Butterworth、Chebyshev或Cauer卡塔尔国。图1所示为归后生可畏化为1-rad带宽后那一个滤波器的特色。通常应该选取具备最棒接收性与纤维极点数(减少本钱卡塔尔(قطر‎的滤波器,不过对相位线性度的附加必要范围了可筛选的界定。图1. 归风流浪漫化为1-rad带宽后,各样滤波器的幅值和群延时与成效之间的涉嫌

fc=fo=57%RC式呈现,转折频率的职位随RC而变,若是电容不改变,低通电阻从Wrangler降低至本田CR-VL,转折频率向高频端平移至上转账频率foH=fc+ΔfH,即景逸SUVL=三分一CfoH;而德州仪器电阻增大至TiggoH,转折频率向低频端平移至下转变频率foL=fc-ΔfL,即宝马7系H=半数CfoL。合成都电子通信工程高校路幅频特**错,传输频率在foL~foH之间的正弦波,幅度衰减都自轻自贱3dB。而超过foH实信号幅度纵然MTK无衰减,但低通衰减大于3dB在uo端输出;低于foL的时域信号在MTK衰减已经超先生过3dB的上涨的幅度,经低通无衰减在uo端输出也就超过3dB。那样,电路切合单位增益带宽定义的通频带宽度BW=foH-foL。

实在,任何二个电子系统都负有温馨的频带宽度,频率天性反映出了电子系统的那几个大旨性情。而滤波器,则是基于电路参数对电路频带宽度的影响而布置出来的工程使用电路。

相位线性度与群延时

例如fc=100KHz,则R=1.592K,C=1nf;

用模拟电子电路对模拟时域信号举办滤波,其基本原理便是使用电路的频率个性达成对时限信号中频率成分的选拔。依照频率滤波时,是把时域信号看成是由差异频率正弦波叠合而成的模拟时限信号,通过甄选区别的频率成分来落再而三确定性信号滤波。

滤波器的相位线性度决定了包络延时或群延时(GD卡塔尔国与效能的涉嫌。平坦的群延时注脚全数频率被延迟了扳平的日子,在时域那有扶助实信号波形的维持。因而,群延时差距比相对群延时更为首要。另有大器晚成项独立的参数称为通道间隔开,用于权衡通道间的岁月切合度,不应将其与群延时混淆。对于摄像来说,多大程度的群延时间距是足以接收的,为何?答案决议于具体的应用与录制制式。举例,ITU-470对复合录像时域信号群延时的分明特别宽松。不过,ITU-601则要严刻多数,以便确认保证录像重播的地西泮团结,既针对于MPEG-2压缩,也是为着调控串行化以前的相位抖动。那么,为确认保障相位线性度,应该思考怎么着的滤波器特性呢?图1中的群延时曲线在结束频率(/c

1卡塔尔(قطر‎处现身了一个峰。那是由停止频率周围陡峭的相位变化变成的。为了有贰个大概的定义,以三个3极点、6MHzButterworth滤波器为例,在其带宽范围内群延时间隔大概为20ns至25ns。扩张极点数或滤波器的选用性会使该间隔增加。别的部分用来减小群延时间距的更新鲜的滤波器²囊括Bessel、相位靠拢、汤普森-Butterworth,甚至LeGendre等。即使如此,在录制中最常使用的仍然是Butterworth个性的滤波器。

净爱抚频的群延时难题

负有视频制式与利用都对群延时间隔敏感。敏感程度在于实信号的数据及其带宽。复合NTSC/PAL制式唯有联袂非确定性信号,群延时在ITU-470中有分明。该供给相当轻易满意。凯雷德GB与份量录像都包括多路复信号。君越GB时域信号各通道具备肖似的带宽而分量摄像则差别,由此对于昂科雷GB来讲群延时的非凡相比比较简单于而分量摄像则要费劲一些。因为Pb与Pr时限信号的带宽独有亮度(Y卡塔尔非时域信号的八分之四,所以它们的群延时是Y数字信号³的两倍。后生可畏种缓慢解决形式是参与延时级,使Y时限信号慢下来。另后生可畏种缓和措施通过使Pb与Pr实信号的采集样本率加倍,使时限信号带宽相等,就要4:2:2的采集样板率提升到4:4:44,这样就可将时限信号当做HighlanderGB来管理了。多出的Pb与Pr采集样板在抗混叠时被废除或在重新建立应用中被平均掉。另黄金时代种分量录制制式,S-VHS,轻松引起混淆。其Y通道与YPbPr制式相仿,但色度实信号(C卡塔尔看起来更应当使用带通滤波,并不是低通滤波。对YPbPr实信号来讲,带通滤波会引起群延时与一块难点,所以不能够选用。除非举行了仿照编码,Y和C模拟信号可以应用相像的滤波器实行低通滤波。S-VHS在带宽方面带给的补益使它在延迟均衡方面包车型客车难点能够被原谅。S-VHS何奇之有于录像重新建立应用中,此类应用关键关心的是Y与C之间精确的生龙活虎道。

运放的选料

选定了滤波器脾气之后,下一步正是要用实际电路来实现它。最常用的单运放电路是同匹配置的Sallen-Key滤波器与反相称置的Rauch滤波器。对专门的学业在宽带摄像应用中的运放来说,须要盘算的三个第一事项是超小增益-带宽(GBW卡塔尔。录像时限信号是天翻地覆非时限信号,规范为2VP-P,所以应思量大信号GBW。不要将该参数与2VP-P 0.1dB GBW混淆,前面一个要小得多。对滤波器电路来讲,运放的GBW应该比滤波器的停止频率高多少?对于Rauch (反相卡塔尔滤波器,相角参数为:Arg[K(j)]inv = -(c/GBWrad)(1 + Rf/Ri)对于Sallen-Key (同相)滤波器:Arg[K(j)]noninv = -(c/GBWrad卡塔尔国(1 + 昂Coraf/Ri卡塔尔国个中,Lacrossef与Ri为设定增益的电阻,单位为Ω,GBWrad为运放的增益带宽积,c为滤波器的甘休频率,单位为弧度/秒。给定福特Explorerf与Ri5设定合适的增益,并解出(c/GBWradState of Qatar。单位增益Rauch电路中奥迪Q5f/Ri = 1,Sallen-Key电路中Muranof/Ri = 0。由此,对于同黄金时代的相位零值误差,萨伦伦-Key电路所需的GBW为Rauch电路的贰分之一。随着所需增益的上涨,它们在GBW方面包车型地铁差别缩短,Sallen-Key滤波器的优势变小,但还大概有任哪个地点方的主题素材须求思索。

预失真、带宽、Q、甚至参量灵敏度

其余有限的GBWrad/c比率都会使滤波器的闭环极点产生偏移。这就是为什么实际滤波器的带宽c总是小于设计预期6。进步规划带宽能够互补那么些主题素材,那正是所谓的预失真本事。利用Sallen-Key与Rauch电路的总结公式(分别列于表1和表2卡塔尔,我们得以估测计算出满意实际带宽必要的安顿带宽。元件容差也亟须思虑进去。为了鲜明元器件容差,引进一个灵敏度因数7:SXY,它是元器件X的参数变化量与它所引起的参量Y变化量之比率。举个例子来说,表1显示Sallen-Key电路中的Q对C1 与C2 的退换有非常大的灵敏度(相比Rauch电路卡塔尔国。那象征Sallen-Key电路对寄生参数的容忍度比Rauch电路要低。关键在于,SXY使我们对这种效应具备预测,并在安顿中应用对应的宗旨。接下来就能够虚构部分一级设计了。表1. 零部件灵敏度及BW与Q预失真公式(萨伦伦-Key类型,O = 1rad/s卡塔尔 Sensitivity Function SXY Gain K = 3 - 1/Q (Qashqai1 = 本田UR-V2 = C1 = C2 = 1State of Qatar Gain K = 1 (Kuga1 = PRADO2 = 1卡塔尔 Gain K = 2 (宝马X51 = C1 = 1卡塔尔 SX (x = 马自达MX-51, 奥迪Q52, C1, C2卡塔尔国 -1/2 -四分之二 -四分之二SKQ 14 50 10 SMurano1Q 4.5 0 4.5 SCR-V2Q -4.5 0 -4.5 SC1Q 9.5 53% 5.5 SC2Q -9.5 -四分之一 -5.5 SRaK -9/14 N/A -61% SRAV4bK 9/14 N/A 56% c (actual卡塔尔国 c (designState of Qatar [1 - 1/2(3 - 1/Q)2c / GBW] c (design) [1 - cQ / GBW] Q (actual) Q (design) [1 + 1/2(3 - 1/Q)2c / GBW] Q (design) [1 + cQ / GBW] 表2. 零部件灵敏度及BW与Q预失真公式(Rauch类型,O = 1rad/sState of Qatar Sensitivity Function SXY Gain K = 1 (LAND1 = Evoque2 = Haval3 = 1卡塔尔 Gain K = 2 (Enclave1 = 1, Tiguan3 = Ho, Odyssey2 = (Ho / 1 + HoState of Qatar卡塔尔 Gain K = 2 (C1 = 1, C2 = C1 / 100卡塔尔国 SX (x = Haval1, Haval2, C1, C2, SEnclave1 = 0State of Qatar -八分之四 -二分之一 -百分之二十五 SEvoque1Q 55% 十分三 四分之二 SHighlander2Q -1/6 0 0 SC1Q 54% 52% 52%SC2Q -十分四 -百分之七十五 -三分之二 S福睿斯3K 1 1 1 SRubicon1K -1 -1 -1 STiguan3Q 1/6 0 0 c (actualState of Qatar c (design卡塔尔(قطر‎ [1 - 3cQ / 2GBW] Q (actual) Q (design) [1 + 3cQ / 2GBW]

抗混叠滤波器的布署

对于抗混叠滤波器,选用性由ITU-601明显的模板来规定,就如图第22中学所展现的。带宽规定为5.75MHz 0.1dB,插损在6.75MHz处为12dB,8MHz处为40dB,0.1dB带宽范围内群延时间距为3ns。那样的属性必要对于唯有的模仿滤波器来说太困难了,不过通过四倍过采集样板能够将该需求调解为27MHz处12dB,32MHz处40dB。图2. 那么些滤波器模板代表ITU-R BT.601-5职业所须要的抗混叠滤波使用软件或归大器晚成化曲线8,我们会开采-3dB带宽为8.45MHz的5极点Butterworth滤波器就能够满足选用性须要,但没思索群延时。对于后人,须要七个延时级,对于此电路,必要器重关注的运放参数为0.1dB,2VP-P带宽9。将该数值应用于式1和2可获得纯粹的宏图。图3a与3b给出了三个相符此类应用的原理图,并用曲线显得了它的增益和群延时性子,此规划基于四倍过采集样本系统。图3. 此原理图(a卡塔尔与出口响应(bState of Qatar表示的是针对ITU-601抗混叠的5极点5.75MHz Butterworth滤波器,接纳的是Rauch电路与延时均衡器。接下来要酌量的是PC摄像。VESA未有为抗混叠或重新建设构造滤波器规定模板。XGA分辨率(1024 x 768,85Hz卡塔尔(قطر‎具备94.5MHz的采集样板率,Nyquist 频率为47.25MHz。为在Nyquist频率处得到35dB的衰减少数量,采纳Rauch类型的20MHz、4极点Butterworth滤波器(图4a和4b卡塔尔。由于MAX4450/MAX4451一流的弹指态响应与大时域信号带宽(2VP-P时175MHzState of Qatar,由此如故采取它。图4. 该原理图(aState of Qatar与输出响应曲线(b卡塔尔国描述的是一个用以XGA图像抗混叠的4极点20MHz Butterworth滤波器,采纳了Rauch电路。

重新建立滤波器

DAC之后的重新建立滤波是未曾被很好驾驭的应用之黄金年代。超级多设计者以为引入重新建设构造滤波器是为了滤掉采集样板石英钟,但那远不是真情。当时限信号被采集样本时,采集样板中包涵了多少个重复的非信号印象,分别指向采集样本石英钟的各次谐波。重新建立滤波器将滤掉除基带采集样板外的兼具其他时限信号。假使抗混叠滤波器到达了其指标,那么DAC输出看上去就好像图5中的印象A,接下去,它左侧的全体采集样本都应被滤掉。由此,对于重新建立的渴求近乎于抗混叠,然而,由于各类采集样板只停留瞬间,DAC会将各类采集样本保持多少个石英钟周期,这样一来,就产生了大家所熟知的临界于某斜线的台阶状波形。图5. 规范的DAC输出频谱与采集样本频率(FSState of Qatar及Nyquist频率(FN卡塔尔(قطر‎之间的关联维持成效也便是一个数字滤波器,它的特色10好像于Butterworth或贝斯el滤波器(图6卡塔尔。注意到在半采集样板频率处响应被下落了4dB。重新建构滤波器的第三个目标是补充那个损失,那就必要如图7a电路那样的大幅均衡器。该均衡器在一个延时电路的底蕴上组成,具备相仿于Bessel滤波器的响应。它可根据DAC采集样本率(FS卡塔尔来规划。图7b显示了运用和未用幅度均衡器时的DAC频率响应。与延时级相像,它能够被含有在其余重新建立滤波器中。图6. DAC的维系功效发生了一个(sinx卡塔尔国/x响应,零点坐落于采集样板频率的大背头倍处。图7. 该图展现了DAC输出(bState of Qatar带或不带(sinx卡塔尔/x改过(由上升的幅度均衡器电路(a卡塔尔提供卡塔尔国时的图景保持响应也可以有贰个照准采集样板时钟的极点,能够完全去掉时钟。不过,大许多重新建立应用还是将石英钟衰减作为其品质因数。现在询问了重新创立滤波器的遵从,大家就可以动手规划了。NTSC/PAL录像重新创设最平凡的渴求是在13.5MHz处衰减 20dB,在27MHz处 40dB,c决定于所采用的录制正式。出于两地点的由来,大家筛选了Sallen-Key构造的3顶点Butterworth滤波器。首先,其增益(+2卡塔尔国契合驱动反向端接的电线。其次,它的群延时差距能够调治,那样,没有必要延时均衡器我们就可以通过调解群延时获得最优的习性(图8a至8d呈现了NTSC和PAL设计,以至它们的增益和群延时天性State of Qatar。那一个应用平时包蕴了对于DAC的数字幅度修正,如有需要也相当轻易助长进去。图8. 对带群延时调度的重新创建滤波器,PAL版本(a卡塔尔国的幅值与群延时响应曲线如(cState of Qatar所示,NTSC版本(bState of Qatar的幅值与群延时响应曲线如(d卡塔尔国所示。还突显了二个用来XGA的电路,它是使用Sallen-Key构造的20MHz、3顶点Butterworth滤波器,为达成幅值校正,在那之中还包涵了图第88中学的电路(图9a和9bState of Qatar。作为图4 抗混叠滤波器的补偿,该滤波器械有+2的增益,用来驱动反向端接的75Ω同轴电缆。图9. 用于XGA重新建设布局的含(sinxState of Qatar/x补偿的3顶点20MHz Butterworth滤波器(a卡塔尔,其出口响应曲线如(b卡塔尔(قطر‎所示。最终三个利用是用以HD电视的重新建设结构滤波器。依照SMPTE 274与296M明确的沙盘,它的中坚频率c = 0.4 x FS = 29.7MHz。对于DAC的大幅修改平日已经内含了,但群延时补充必得附加。结果是八个30MHz、5极点Sallen-Key滤波器(图10State of Qatar,74.25MHz时衰减 40dB,还包罗二个有+2倍增益的群延时级,以便驱动反向端接的75Ω同轴电缆。图10. 用于HD电视机的5极点30MHz重新建立滤波器,富含DAC幅值修改。

有源录像滤波器设计中的实际难题

无论手工业设计的,依旧软件支持设计的,或是综合那三种办法拿到的滤波器,实际的响应曲线恐怕并不完全相符预期。原因之一是测算出的响应与运用专门的学问元器件值得到的实际响应时期存有不是。选用正规(5%卡塔尔容值的容电器而导出电阻值能够使相对误差减低到最小。原因很具体能够买入1%或2%容差的电容器,但容值精度仅为5%,而对电阻来讲,1%容差和1%精度的电阻非常轻便获得。那样选取的预制零器件能够提供最好的后生可畏致性和最可相信的宽窄响应。滤波器构成之后,大概现身不安宁与震荡的情况。固然现身如此的情况,将输入对地短接,看其是还是不是连续颠簸。若是振荡甘休,表明阻抗太高,裁减设计阻抗就可以消释振荡。但假如仍一而再颠簸,则请小心振荡频率是或不是临近滤波器的截止频率或在结束频率以下。假如是那般,振荡可能是由元器件或寄生参数引起的。若振荡频率高于甘休频率,那么或然是运放或电路板构造引起的。好的构培养象是生机勃勃件艺术小说,但它只是依据一些简便的原则。提供一个完完全全的电源电压和一个深根固柢的接地很要紧,那表示用低ESLX570的电容器滤波,不常是一个调整器。旁路电容连接而成的回路必须尽量小,不然寄生电子感应将与电容谐振。优质的接地平面对好的效仿设计很主要,然而随着带宽的充实,它恐怕带给阳极电容,使滤波器失于调养。为防止那样的主题素材,将遇到震慑的零构件与走线下方的地平面去掉就可以。

参照他事他说加以考查文献

1、在甘休频率处,滤波器响应下跌-3dB。

2、 Taylor和Williams,Electronic Filter Design Handbook,McGraw Hill,ISBN 0-07-070441-4。

3、 同前。

4、4:2:2采集样板最先代表彩色副载波的过采集样板倍数。ITU-601将副载波频率改为3.375MHz。4:2:2表示分别在13.5MHz与6.75MHz下采样。

5、 在同相情状下,大切诺基f/Ri = 0;在反相意况下中华Vf/Ri = 1。

6、E.J. Kennedy,Operational Amplifier Circuits: Theory and Applications。

7、 由H.W. Bode在Network Analysis and Feedback Amplifier Design (D. Van Nostrand, Princeton NJ, 1945)中定义。

8、Taylor和Williams, op. cit。

9、MAX4450/MAX4451数据资料。

10、数学中的Sinc函数就是(sinx卡塔尔(قطر‎/x。

设计foH=1.05MHz,则RL=1/2CfoH=0.152K;

当允许功率信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做MTK滤波器。

设计foL=10KHz,则=RH=1/2CfoL=15.923K。

当允许实信号中非常的低频率的成份通过滤波器时,这种滤波器叫做低通滤波器。

仿真(测量试验时用跟随器隔开分离阶间影响卡塔尔国如下,通带宽度BW=1.05M-10K=1.04MHz,频率在两绿点间的实信号传输过程幅度保持未有衰减,是带内曲线的坦荡部分。

当只允许非时域信号中有些频率范围内的成份通过滤波器时,这种滤波器叫做带通滤波器。

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好好滤波器的行事特征平时用幅度-频率个性图描述,也称为滤波器电路的幅频天性。理想滤波器的幅频特性如图所示。图中,w1和w2叫做滤波器的甘休频率。

Sallen-Key带通滤波器电路参数轻松算法

滤波器频率响应性格的幅频个性图

Sallen-Key低通与德州仪器合成带通滤波电路,电路常数的乘除与上述无源滤波的原理方法朝气蓬勃致,可是计算式用fc=fo=√2/。跟随器隔绝级间的熏陶。

对此滤波器,增益幅度不为零的功效范围叫做通频带,简单称谓通带,增益幅度为零的成效范围叫做阻带。比方对于LP,从-w1当w1之间,叫做LP的通带,别的频率部分称得上阻带。通带所代表的是能够透过滤波器而不会时有发生衰减的功率信号频率成分,阻带所代表的是被滤波器衰减掉的非确定性信号频率成分。通带内功率信号所获得的增益,叫做通带增益,阻带中国国投号所获取的衰减,叫做阻带衰减。在工程实际中,经常采用dB作为滤波器的宽度增益单位。

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低通滤波器

3、Sallen-Key低通滤波器运放GBW参数的精选

低通滤波器的中坚电路特点是,只允许低于截至频率的确定性信号通过。豆蔻梢头阶低通Butterworth滤波电路

上述以名特别巨惠国民党的新生活运动放深入分析和总结,实际上GBW参数不应低于经常放大电路的必要,大于40fc就很形似总括值。当GBW=fc(举个例子运放LP124卡塔尔,就也就是再加一个RaCa低通电路,有三阶滤波效果,而基本频率不改变,通频带的幅度变小,总结式fo’=√3/。由于GB等于积分截至频率,选用GBW相近大旨频率的运放搭建Key电路,元器件相通多,但下落器件的渴求以减低本钱,并且滤波质量更加好。

下图a和b是用运算放大装置设计的三种意气风发阶Butterworth滤波电路的电路。图a是反相输入风流罗曼蒂克阶低通滤波器,实际上正是两个积分电路,其解析方法与生机勃勃阶积分电路相似。