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。
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]└─┘
- 运放选择: TL082 (通用), OPA134 (音频), OP07 (低频) - 截止频率: 0.01Hz - 10kHz - 滚降速率:
- 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
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)
- 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:
- 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
1. 截止频率设计:
2. 低频应用:
3. 输入偏置电流补偿:
4. 单电源设计:
5. 心电信号处理:
6. 音频应用:
7. PCB设计:
8. 调试:
- 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)
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:
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