三种滤波器

滤波器主要有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器三种,按照电路工作原理又可分为无源和有源滤波器两大类。

  1. 低通滤波器

电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过,电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小,称为低通滤波器。

低通滤波器原理很简单,它就是利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过;对于需要放行的低频,利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。

最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成,如下图。该低通滤波器的作用是让低于转折频率f。的低频段信号通过, 而将高于转折频率f。的信号去掉。

《三种滤波器》

  • RC无源低通滤波器

《三种滤波器》
这一低通滤波器的工作原理是这样:当输入信号Vin中频率低于转折频率f。的信号加到电路中时,由于C的容抗很大而无分流作用,所以这一低频信号经R输出。当Vin中频率高于转折频率f。时,因C的容抗已很小,故通过R的高频信号由C分流到地而无输出,达到低通的目的。这一RC低通滤波器的转折频率f。由下式决定

《三种滤波器》
低通滤波器除这种RC电路外,还可以是LC等电路形式。

  1. 高通滤波器

最简单的高通滤波器是“一阶高通滤波器”,它的的特性一般用一阶线性微分方程表示,它的左边与一阶低通滤波器完全相同,仅右边是激励源的导数而不是激励源本身。当较低的频率通过该系统时,没有或几乎没有什么输出,而当较高的频率通过该系统时,将会受到较小的衰减。

实际上,对于极高的频率而言,电容器相当于“短路”一样,这些频率,基本上都可以在电阻两端获得输出。换言之,这个系统适宜于通过高频率而对低频率有较大的阻碍作用,是一个最简单的“高通滤波器”,如下图。

《三种滤波器》

  • RC元件构成的高通滤波器

《三种滤波器》

  • RC高通滤波器的幅频特性曲线

这一电路的工作原理是这样:当频率低于f。的信号输入这一滤波器时,由于C1的容抗很大而受到阻止,输出减小,且频率愈低输出愈小。当频率高于f。的信号输入这一滤波器时,由于C1容抗已很小,故对信号无衰减作用,这样该滤波器具有让高频信号通过,阻止低频信号的作用。这一电路的转折频率f。由下式决定:

《三种滤波器》

高通滤波器除可以用元件外,还可以用LC构成。

  1. 带通滤波器

带通滤波器是一种仅允许特定频率通过,同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性,故而被广泛地应用现在电子设计中。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概念相对。

《三种滤波器》

  • 带通滤波器的作用

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带,在通带内没有放大或者衰减。实际上,并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉,尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象,并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。 通常,滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而,随着滚降范围越来越小,通带就变得不再平坦,开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显,这种效应称为吉布斯现象。

主要参数

通带带宽:指需要通过的频谱宽度,BW=(f2-f1)。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准。

带内波动(Passband Ripple):通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。

纹波(Ripple):指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内,插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰值。

延迟(Td):指信号通过滤波器所需要的时间,数值上为传输相位函数对角频率的导数,即Td=df/dv。

带内相位线性度:该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。

插入损耗(Insertion Loss):由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗,以中心或截止频率处损耗表征,如要求全带内插损需强调。

回波损耗(Return Loss):端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数,也等于20Log10ρ,ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。

中心频率(Center Frequency):滤波器通带的频率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。

截止频率(Cutoff Frequency):指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为:低通以DC处插损为基准,高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。

带内驻波比(VSWR):衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1:1,失配时VSWR>1。对于一个实际的滤波器而言,满足VSWR<1.5:1的带宽一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。

阻带抑制度:衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法:一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB,计算方法为fs处衰减量;另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可为40dB、30dB、20dB等)。滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作难度当然也就越大。

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    原文作者:尖枫508
    原文地址: https://blog.csdn.net/LINZAI508/article/details/111356839
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