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出版者:Oxford Univ Pr

作者:Schaumann, Rolf/ Van Valkenburg, Mac E.

出品人:

页数:752

译者:

出版时间:2001-1

价格:$ 157.07

装帧:HRD

isbn号码:9780195118773

丛书系列:

图书标签:

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• 模拟滤波器
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信号处理的基石：无源与有源滤波器的深度探索 图书名称：《信号处理的基石：无源与有源滤波器的深度探索》 图书简介 本书旨在为电子工程、通信系统、仪器仪表及相关领域的专业人士和高年级学生提供一套全面、深入、实用的模拟滤波器设计理论与实践指南。本书聚焦于经典与现代模拟滤波器的核心原理、设计方法、关键技术以及实际应用，内容涵盖了从基础理论推导到复杂系统实现的完整脉络，旨在帮助读者建立扎实的理论基础，并掌握在实际工程中快速、准确地设计和验证模拟滤波器的能力。 第一部分：模拟滤波器的基础理论与经典网络 第1章：引言与滤波器的基本概念 本章首先明确了信号处理中滤波器的核心地位及其在现代电子系统中的不可或缺性。我们将探讨连续时间信号的频谱特性，并定义理想滤波器的性能指标，包括通带、阻带、过渡带、截止频率、插入损耗、相位失真、群延迟等。随后，我们将引入滤波器分类的系统框架，包括按频率响应（低通、高通、带通、带阻）、按设计方法（Butterworth、Chebyshev、Elliptic）以及按有源/无源分类。本章的重点是建立对“滤波器设计即系统优化”这一核心思想的初步认知。 第2章：复频率域分析与网络函数 深入研究模拟滤波器要求我们使用复频率域（$s$域）进行分析。本章详细阐述了拉普拉斯变换在电路分析中的应用，并定义了系统的网络函数 $H(s)$。重点分析了系统的稳定性判据——即极点（Poles）在$s$平面上的位置与系统瞬态响应和频率响应之间的内在联系。通过对网络函数的零点（Zeros）和极点分布的解析，读者将学会如何从数学上完全表征一个线性时不变（LTI）滤波器的行为。 第3章：低阶原型滤波器及其性能比较 本章聚焦于构建所有复杂滤波器的基石——低阶原型滤波器。我们将详细推导和分析三种最主要的幅度响应原型： 1. Butterworth 滤波器： 强调其在通带内的最大平坦特性，分析其幅频特性公式，并推导其在低阶下的实际电感和电容值计算方法。 2. Chebyshev 滤波器： 深入探讨等波纹特性，解释等波纹与通带内允许的纹波高度之间的关系，并对比其相比Butterworth滤波器在相同阶数下更陡峭的衰减优势及其带来的阻带过渡区的波动。 3. Elliptic (Cauer) 滤波器： 介绍等波纹滤波器中的最优选择，分析其在通带和阻带中均存在的等波纹特性，并阐明它如何在给定阶数下实现最快的过渡带衰减。 本章通过表格对比，清晰展示了三种原型在通带纹波、群延迟特性和阶数需求上的权衡取舍。 第4章：频率变换与高阶滤波器综合 本章将理论应用于实践，讲解如何利用频率变换将低阶低通原型转化为高阶的带通、带阻或高通滤波器。详细介绍了巴特沃斯-塞利（Butterworth-Seely）变换及高通/带通的频率反演方法。关键在于讲解如何通过特定的频率映射关系，将原型的极点坐标在$s$平面上进行变换，从而直接得到所需频率特性的滤波器网络函数。随后，本章将讨论近似法（如双线性变换）在将连续时间系统转换为离散时间系统时的基础，尽管本书核心是模拟滤波器，但理解这些连接至关重要。 第二部分：无源滤波器设计与实现 第5章：LC 级联滤波器设计 本章专注于使用电感（L）和电容（C）元件构成的无源滤波器。介绍原型网络展开法，即如何从网络函数 $H(s)$ 出发，通过展开连分式或使用阿特金斯图（Attwood's Ladder）来确定级联L、C元件的初始值。重点讨论了无源网络在实际应用中的局限性，例如元件的寄生参数影响、Q值有限性以及终端负载匹配的重要性。 第6章：Ladder Network（梯形网络）的合成 本章深入讲解了滤波器合成的经典方法——Foster和Cauer合成。 1. Foster合成法： 侧重于将网络函数展开为部分分式，形成并联 LC 谐振腔的结构。 2. Cauer合成法（持续分式展开）： 详细介绍如何通过连续的短路和开路操作（或使用Sauerbach法）来确定梯形网络中串联电感和并联电容的精确值，特别是针对输入阻抗为电阻的系统。 本章提供了一套完整的手册流程，指导工程师从期望的性能指标出发，推导出精确的元件值。 第三部分：有源滤波器设计与实现——运算放大器的核心作用 第7章：运算放大器的基础与有源电路元件 有源滤波器设计离不开高性能的运算放大器（Op-Amp）。本章回顾了理想运放的特性（高开环增益、无穷输入阻抗、零输出阻抗），并讨论了实际运放对滤波器性能的影响，如有限增益带宽积（GBW）和压摆率限制。介绍基本的有源增益单元、缓冲器以及如何利用反馈配置实现负阻抗。 第8章：Sallen-Key 拓扑结构 Sallen-Key（S-K）结构是实现二阶有源滤波器的最常用和最简单的方法之一。本章详细分析了高通、低通和带通 S-K 滤波器的电路原理，推导了其网络函数，并解释了增益系数（A）和阻尼系数（$zeta$）与外部电阻电容值之间的关系。本章将重点强调如何通过调整增益来控制滤波器的品质因数 $Q$ 值，并讨论 S-K 结构在实现高 $Q$ 值时可能遇到的设计挑战。 第9章：MF1 (Multiple Feedback) 拓扑结构 MF1 结构是另一种重要的二阶有源滤波器形式，特别适用于实现高品质因数（$Q > 10$）的设计。本章分析了 MF1 的反馈路径，推导其网络函数，并对比了其与 Sallen-Key 结构在输入阻抗、灵活性和元件数量上的优劣。重点演示了如何利用 MF1 结构实现高选择性的带通滤波器。 第10章：状态变量滤波器与通用有源滤波器 本章介绍更灵活、更易于级联和调节的状态变量（State-Variable）滤波器（也称为 KHN 滤波器）。该结构通常包含三个运放：两个积分器和一个加法器/求和器。详细分析了该拓扑的优势： 1. 同时输出： 可以在三个节点同时获得低通、带通和高通的输出。 2. 独立可调： 频率、增益（Q值）和中心频率可以相互独立地进行调整，极大地简化了调试过程。 本章将指导读者如何使用状态变量结构实现复杂的、可变参数的二阶段，并论述如何通过级联实现更高阶的滤波器。 第四部分：高级主题与实际工程考量 第11章：元件容差、灵敏度与优化 任何实际滤波器设计都必须面对元件的实际容差。本章深入探讨了灵敏度分析，即元件值微小变化对最终频率响应的影响。通过分析归一化灵敏度函数，读者将学会评估不同滤波器原型（如Butterworth vs. Chebyshev）在元件容差下的稳定性。本章提供设计优化策略，例如选择合适的元件品质因子 $Q_L$ 和 $Q_C$，以及如何通过选择拓扑结构来最小化对敏感元件的依赖。 第12章：滤波器集成与应用考虑 本章将理论设计与实际制造和应用相结合。讨论了集成电路（IC）中模拟滤波器的实现方式，包括使用跨导-电容（Gm-C）技术来实现电感模拟。同时，探讨了实际应用中的关键问题： 噪声分析： 评估有源滤波器中运放引入的噪声对信噪比的影响。 失真： 讨论运放的非线性特性在高动态范围信号处理中的限制。 级联设计： 讲解如何正确地级联二阶段，包括输入/输出阻抗匹配以及消除段间耦合对整体响应的影响。 通过对这些工程细节的透彻解析，本书确保读者不仅理解“如何设计”，更能理解“如何使设计在真实世界中工作”。本书的最终目标是培养出能够自信地从规格书到成品原型进行完整模拟滤波器设计的工程师。

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