### 2. 有源高通滤波器模块

#### 模块描述
有源高通滤波器允许高频信号通过,抑制低频分量和直流偏置,用于去除基线漂移、隔直流、提取交流成分。同样基于运放和RC网络,拓扑与低通滤波器对偶。典型应用包括心电信号处理(去基线漂移)、音频耦合、传感器AC信号提取等。在电赛中用于交流信号测量、生物信号处理、动态信号分析等题目。

#### 工作原理
```
Sallen-Key二阶高通滤波器:

[Vin] → [C1] → [C2] → [运放同相输入] → [Vout]
         ↓      ↓           ↓
        [R1]   [R2]    [电压跟随器]
         ↓      ↓
        [GND]  [GND]

传递函数: H(s) = Ao·s² / (s² + (ωn/Q)·s + ωn²)

关键参数:
- 截止频率fc: fc = 1/(2π√(R1·R2·C1·C2))
- DC增益: 0 (直流完全衰减)
- 高频增益: Ao (通带增益)
- 与低通对偶: C↔R互换即得高通

MFB高通拓扑:
[Vin] → [C1] → [反相输入] → [运放] → [Vout]
                ↓    ↑
               [R1] [C2]
                ↓    ↑
               [R2] [C3]
                ↓    |
               [GND]└─┘
```

#### 技术指标
- **运放选择**: TL082 (通用), OPA134 (音频), OP07 (低频)
- **截止频率**: 0.01Hz - 10kHz
- **滚降速率**:
  - 2阶: -40dB/decade (低频侧)
  - 4阶: -80dB/decade
- **高频增益**: 0dB至+40dB
- **直流阻断**: >60dB @ DC
- **相位特性**: +90°@fc (2阶)
- **输入阻抗**: 与频率相关,fc处最低
- **输出阻抗**: <100Ω

#### 接口管脚定义
同低通滤波器,使用标准双运放如TL082:
- 引脚1,7: OUT1, OUT2
- 引脚2,3: IN1-, IN1+
- 引脚5,6: IN2+, IN2-
- 引脚4: V- (负电源或地)
- 引脚8: V+ (正电源)

#### 板上设置和信号指示
- **电源**: ±12V双电源或+5V单电源(中点偏置)
- **输入耦合**: 大电容(1-10μF)隔直流
- **输出耦合**: 输出电容(1μF)去直流偏置
- **元件选择**:
  - 电容: 1%精度薄膜电容,低频用电解电容
  - 电阻: 1%金属膜电阻
  - 电容值: 常用0.1μF-10μF (取决于fc)
- **偏置网络**: 单电源时需Vcc/2偏置电路
- **接口**: BNC或3.5mm音频接口
- **指示**: 信号LED指示

#### 电气指标
- **电源**: ±5V至±15V (双电源), 单电源+5V至+15V
- **功耗**: 10-20mA
- **输入阻抗**: fc处约1/(2πfcC) ≈ 16kΩ @10Hz, 1μF
- **输出驱动**: ±20mA
- **噪声**: 20nV/√Hz @ 1kHz (TL082)
- **THD**: <0.01%
- **截止频率精度**: ±5-10%
- **温度系数**: ±200ppm/°C

#### 使用说明
1. **截止频率设计**:
   - 确定fc,选择R值(如R1=R2=10kΩ)
   - 计算C: C = 1/(2π·fc·R·√2)
   - fc=10Hz, R=10kΩ: C≈1.13μF,选1μF标称值

2. **低频应用**:
   - fc<1Hz: 使用大电容(10μF以上)
   - 注意电解电容漏电流影响
   - 考虑使用T型网络降低电容值

3. **输入偏置电流补偿**:
   - 同相输入接等效电阻到地
   - 平衡偏置电流,减小失调

4. **单电源设计**:
   - 输入输出AC耦合
   - 运放供电+5V,信号围绕2.5V摆动
   - 同相输入偏置到Vcc/2 (用2个等值电阻分压)

5. **心电信号处理**:
   - fc=0.05Hz (去基线漂移)
   - 2阶巴特沃斯
   - 配合50Hz陷波器

6. **音频应用**:
   - fc=20Hz (去直流)
   - 贝塞尔特性(相位线性)
   - 低THD运放

7. **PCB设计**:
   - 大电容注意极性
   - 交流地与直流地分离
   - 输入保护(钳位二极管)

8. **调试**:
   - 低频信号源+示波器测fc
   - 观察直流是否阻断
   - 检查通带增益平坦度

#### 全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- **2019年**: 心电信号采集(去基线漂移)
- **2017年**: 生物电测量(高通滤波0.05Hz)
- **2015年**: 音频处理(去直流分量)
- **2013年**: 传感器信号调理(提取AC分量)
- **2011年**: 动态信号分析
- **2009年**: 交流测量系统
- **2007年A题**: 音频信号分析仪(高通耦合)

#### 应用技术要点总结
1. **与低通对偶**: 电阻电容位置互换即可,设计方法类似
2. **电容类型**:
   - 高频(fc>100Hz): 薄膜/陶瓷电容
   - 低频(fc<10Hz): 电解电容,注意漏电
   - 超低频: 钽电容或高品质电解电容
3. **输入阻抗**: 高通滤波器输入阻抗在fc处最低,需考虑信号源驱动能力
4. **直流阻断**: 完全阻断直流,但会引入相移
5. **瞬态响应**: 阶跃输入会产生过冲,注意削波
6. **低频噪声**: fc过低会放大低频噪声(1/f噪声)
7. **应用组合**: 常与低通组成带通(先高通后低通)
8. **参数漂移**: 电解电容老化导致fc漂移,定期校准

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