通用有源滤波器UAF42的原理及应用

    摘要：UAF42是美国Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源滤波器，它具有设计方便、使用灵活的特点。通过改变UAF42的电路参数可以构成各种满足工程实际需要的滤波器。文中介绍了UAF42的引脚功能、内部结构和工作原理，并给出了由UAF42构成的双极有源滤波器及60Hz限波电路的具体电路和参数设计。

    关键词：滤波器 限波器 UAF42

1 概述

滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制（或衰减）的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。以往主要采用无源元件R、L和C组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速地发展，由它和R、C组成的源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，而输出阻抗又很低，而且，由其构成的有源滤波器还具且一定的电压放大和缓冲作用。因此，基于放大器和R、C构成的有源滤波器应用日益广泛。随着微电子学的发展，人们已经可以把一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上构成通用有源滤波器（Universal Active Filter,UAF）。这种芯片集成度高，片内集成了设计滤波器所需的电阻和电容，在应用中只需极少数外部器件就可以很方便地构成一个源滤波器。BB（Burr-Brown）公司的UAF42就是这一类通用有源滤波器的代表。它可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。它采用典型的状态可调（state-variable）模拟结构，内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积器包括1000μF（±5%）的电容。因此较好的解决了有源波器设计中获得低损耗（low-loss）电容的问题。

UAF42具有以下特点：

●通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤波器；

●设计简单。BB公司还为UAF42专门设计了一个软件，从而可以方便灵活地设计各种不同类型的滤波器。

●具有高精度频率和高Q值；

●片内集成有1000pF±5%的电容。

2 UAF42的引脚功能和内部结构

UAF42的引脚排列和内部结构框图分别如图1和图2所示，各管脚的功能如表1所列。

表1 UAF42的引脚功能

引脚序号	引  脚  名  称	功    能
1	Low-pass Vo	低通输出端
2	Vin3	输入引脚3，经过内部一个电阻后连接VFA内部运放的非反向输入端
3	Vin2	输入引脚2，与UAF42内部运放的非反向输入端相连
4	Auxiliary Op Amp +IN	辅助运放非反向输入端
5	Auxiliary Op Amp -IN	辅助运放反向输入端
6	Auxiliary Op Amp Vo	辅助运放输出端
7	Bandpass Vo	带通输出
8	Frequency adj1	频率调节引脚1
9	V-	负电源电压
10	V+	正电源电压
11	Gound	地
12	Vin1	输入引脚1，接UAF42内部运放的反向输入端
13	High-pass Vo	高通输出端
14	Frequency adj2	频率调节引脚2

3 利用UAF42构成有源波器

有源滤波器在电子产品中应用广泛，但是其设计却比较繁琐费时。从UAF42的引脚和内部结构来看，利用UAF42进行有源滤波器的设计是十分方便的。同时，BB公司为方便基于UAF42的有源滤波器的设计还提供了不少可供参考资料，这些参考资料给出了具体的滤波器参数计算公式，设计人员可以根据工程需要进行有源滤波器的设计。图3给出了一个非反向输入端双极点的有源滤波器电路。电路的各参数的计算公式如下：

    在上式中，ωn是有源滤波器电路的固有频率；Q是品质因数；ALP、AHP、ABP分别是滤波器的有低通、高C1=C2=1000pF，这样，再选择适当使R1=R2=R4=50kΩ，C1=C2=1000pF，这样，再选择适当的RG和RQ的值就可以确定Q以及滤波电路的增益。

    图4是笔者利用UAF42设计的一个60Hz的限波电路。在该电路中，UFA42的高通输出和低通输出分别接辅助运放的非反向输入端。在频率为60Hz时，滤波器高通和低通的幅度相同而相位相差180度，因此在60Hz时辅助运放的输出为0。其限滤频率fnotch由下式决定：

fnotch=（ALPRz2/AHPPZ1）1/2 f0

式中，ALP是当f等于0时在低通输出端的增益值；AHP是当f远大于f0时在高通输出端的增益值。

    一般情况下，可以使（ALPTz2/AHPRZ1）1/2=1，这样fnotch等于f0,而f0的值由fo=1/2πRfCc决定：

其中，RF=RF1=RF2，C=C1=C2，电路中RF1=RF2=2.65MΩ，C1=C2=1000pF。另外，该发波电路的限波频率与带宽和品质因数有如下的关系：

BW-3dB=fnotch/Q

其中品质因数Q由下式决定：

Q=RZ3/Rz1=Rz3/Rz2=12.1/2≈6

这样该限波电路的带宽，BW-3dB为10Hz，它是增益为-3dB的两点之间的频差，进而可以求出电阻RQ的值。

在实际电路中，RQ的值可选择为4.99kΩ。

图5给出了该限波器的输出特性曲线。

4 结束语