巴特沃斯有源低通滤波器的设计摘要随着社会科学技术的飞速发展，各种科技产品在人类社会中随处可见，极大的丰富了人们的日常生活。
物联设备、可穿戴设备以及虚拟仪器产品在各种应用和消费场合变得极为普遍。
就目前而言，在几乎所有的电子产品中，各种增益、带宽以及高性能的滤波器都发挥着至关重要的作用，例如可穿戴设备的语音信号输入系统中，运用高性能的低通滤波器进行语音信号的降噪、滤波、回声消除，来提高系统的音质和语音识别精准度等。
本论文通过对各种低通滤波器的通频带、增益和截止频率的分析，采用通频带最大扁平度技术（巴特沃斯技术）来设计实现四阶高性能低通滤波器，通过Multisum仿真软件，验证了设计的正确性。
在这基础上，本文还对如何提高该滤波器的响应速度进行了研究，提出了一种有效的提高响应速度的方案，并通过仿真软件得以验证。
这在低通滤波器的理论以及实际工程应用中，都具有非常重要的意义。
关键词：有源低通滤波器，巴特沃斯，运算放大器Design of Butterworth Active Low Pass FilterABSTRACTWith the rapid development of social science and technology, various technological products can be seen everywhere in human society, which greatly enriches people's daily lives. IoT devices, wearable devices, and virtual instrument products have become extremely common in various applications and consumer occasions. For now, in almost all electronic products, various gains, bandwidths, and high-performance filters play a vital role. For example, in the voice signal input system of wearable devices, the use of high-performance low-pass The filter performs noise reduction, filtering, and echo cancellation of the speech signal to improve the sound quality of the system and the accuracy of speech recognition.In this paper, through the analysis of the passband, gain and cutoff frequency of various low-pass filters, the maximum flatness of the passband technology (Butterworth technology) is used to design and implement a fourth-order high-performance low-pass filter, through Multisum simulation software To verify the correctness of the design. On this basis, this paper also studies how to improve the response speed of the filter, and puts forward an effective scheme to improve the response speed, which is verified by simulation software. This is of great significance in the theory of low-pass filters and in practical engineering applications.KEYWORDS：active low-pass filter，butterworth，amplifier1绪论1.1 引言在近现代的科技发展中，滤波器作为一种必不可少的组成成分，在仪器仪表、智能控制、计算机科学、通信技术、电子应用技术和现代信号处理等领域有着十分重要的作用。
滤波器作为一门学科已经有了仅一百年的历史了，自从德国的Wagner和美国的Campbell在1915年提出了滤波器的概念至今，它经历了由简单到复杂，由分立器件到单片集成，由有源到无源，由模拟到数字的发展历程[1]。
1.2 滤波器的发展历程及研究现状早期的滤波器基本上是由分立器件电感、电阻、电容等无源器件搭建而成，这就是最原始的无源滤波器。
最常应用的就是LC梯形无源滤波，因为它的性能对元器件的变化不太敏感。
并且LC无源滤波器还存在着体积大、Q值低、重量大和无法集成等缺点。
自60年代起由于计算机技术、集成电路技术和半导体材料技术的迅速发展，滤波器的发展上了一个新的台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠已经成为了70年代以后的主攻方向，导致RC 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。
到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用[2]。
80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。
90年代至今主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行，对高性能低通滤波器的研究和生产历来为各国所重视，一直是国内外研究热门之一，特别是研究采用开关技术实现的高性能低通滤波器，研究的滤波级数越来越高，10级、12级等高级别开关电容低通滤波器不断涌现[3]。
我国广泛使用滤波器是50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。
经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用及集成化与国际发展有一段距离。
1.3 选题背景及研究意义通过前面的论述可以清楚的看到，在长期的发展中，滤波器技术已经奠定了其在信息处理等领域无法替代的地位。
然而在许多的实际生产生活和科研等应用场合，需要采用低通滤波器来运载信息。
低通滤波器被广泛地应用于噪声情况下的低频信号的提取与抗干扰设计，无源滤波器也有着其固有的缺点，难以集成、器件容易老化、无法满足不同的工程需求等。
但是随着集成工艺和半导体技术的发展，通信设备日益小型化，各种无感滤波器相继问世，其中最具代表性的就是有源滤波器，其最大值可以高达1000，最高频率可达MHz数量级[4]。
目前采用的直接综合，多级级联，多环反馈等方法实现的有源滤波器，由于直接串联在信道中，无一例外地会在信道中引入由有源器件而产生的附加漂移。
在海洋监测，生物医学和电化学等领域的低频微弱信号传感和监测系统和高精度仪器仪表中，系统的灵敏度常达到uV和nV级别，这时附加漂移是同噪声一样严重的问题[5]。
为抑制噪声的同时又不引起新的附加漂移问题，对于滤波系统使用的放大器必然提出非常苟刻的要求，有时甚至是不可实现的。
因此本文就这一问题，提出了一种面向高精度传感与检测系统的无信道附加漂移的有源低通滤波系统。
对于低通滤波器而言，滤波器的频带越窄，滤除噪声的能力也就越强，但是滤波器的阶跃响应时间相应的变长，即阶跃信号通过滤波器输出达到稳定状态所需要的时问变长。
然而有一些应用场合，既需要低漂移高精度的窄带低通滤波器，也需要该滤波器有尽可能快的阶跃响应速度，即要具有好的实时性[6]。
本文在提出了一种低漂移窄带低通有源滤波系统之后，研究了如何提高该滤波器的阶跃响应速度，一方面，具有一定的实际工程应用价值；另一方面，这对于创新滤波器理论和抗干扰设计方法都具有普遍的意义。
2滤波器理论基础2.1 滤波器简介滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。
滤波器是一种能使一定频率范围内的信号顺利通过，而使其他频率的信号受到较大的衰减的电路，主要用于滤除干扰信号[7]。
一般在微弱信号放大的同时附加滤波功能或在信号采样前使用滤波器。
2.2 滤波器的分类2.2.1 按所处理的信号按照所处理的信号不同可以分为模拟滤波器和数字滤波器。
利用模拟电路直接对模拟信号进行处理则构成模拟滤波器。
模拟滤波器可以分成两大类即无源滤波器和有源滤波器。
从20世纪20年代到20世纪60年代末，许多滤波器是由无源元件如电阻、电容和电感组成。
而其中的无源LC梯形网络是一种非常有用的结构，因为它对元件的变化不太敏感。
20世纪50年代人们发现，用有源电路来代替体积大而且价格昂贵的电感可以大大地减小电路的尺寸和降低电路的成本。
20世纪60年代中期高质量的有源器件如运算放大器开始出现。
20世纪70年代中期有源滤波器开始流行，人们开始考虑将滤波器进行集成。
在最近二十年，有源集成滤波器在信号处理应用中幵始变得越来越重要。
在这样的电路中，有源器件是单片集成的。
与由分立有源元件构成的滤波器相比，这些卑片集成电路有着许多优点，减少了系统中元件的数目，由于芯片上元件的良好匹配性使得滤波器的设计简化了不少。
此外，自动调谐电路能够减少工艺和温度变化所带来的误差，与分立无源滤波器相比，集成滤波器大大地减少了寄生电容。
数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时系统。
与模拟滤波器相比较，数字滤波器在体积、重量、精度、稳定性、可靠性、存储功能、灵活性以及性能价格比等方面都显示明显的优点。
模拟滤波器完全工作在模拟信号域，而数字滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。
数字滤波器除了可以利用硬件电路实现之外，还可以借助计算机以软件编程方式实现，无论哪种方法，数字滤波器实现的基本考虑有两点：1、把数字滤波器的输入输出关系转换成一种算法。
2、用一组基本运算或数字硬件（延时器，相加器和乘法器）来实现这种算法。
随着技术的进步与发展，数字滤波器的性能不断提升，成本逐渐下降，其应用的领域也不断拓宽。
按照数字滤波器的特性，它可以被分为线性与非线性、因果与非因果、无限脉冲响应（IIR）与有限脉冲响应（FIR）等等。