電子工程基礎(chǔ)知識(shí)：濾波器

　　濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。

　　1.濾波器的功能

　　濾波器中，把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶;反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶;通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率;理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零;實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過(guò)渡帶。

　　2.濾波器的分類

　　( 1)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

　　( 2)按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。

　　低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。

　　高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。

　　帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。

　　帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。

　　( 3)按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。

　　無(wú)源濾波器： 僅由無(wú)源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高;缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

　　有源濾波器：由無(wú)源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件);缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器)的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如 無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。

　　3. 濾波器的主要參數(shù)

　　( 1)通帶增益A0：濾波器通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。

　　( 2)特征角頻率和特征頻率fn：它只與濾波用的電阻和電容元件的參數(shù)有關(guān)，通常  

　　對(duì)于帶通(帶阻)濾波器，稱為帶通(帶阻)濾波器的中心角頻率或中心頻率f0，是 通帶(阻帶)內(nèi)電壓增益最大(最小)點(diǎn)的頻率。  

　　( 3)截止角頻率和截止頻率f0：它是電壓增益下降到(即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的角頻率。必須注意不一定等于。帶通和帶阻濾波器有兩個(gè)，即和。  

　　( 4)通帶(阻帶)寬度BW：它是帶通(帶阻)濾波器的兩個(gè)之差值，即。  

　　( 5)等效品質(zhì)因數(shù)Q：對(duì)低通和高通濾波器而言，Q值等于時(shí)濾波器電路電壓增益的模與通帶增益之比，即;對(duì)帶通(帶阻)濾波器而言，Q值等于中心角頻率與通帶(阻帶)寬度BW之比，即  

　　4. 有源濾波器的階數(shù)

　　有源濾波器傳遞函數(shù)分母中“S”的最高“方次”稱為濾波器的“階數(shù)”。階數(shù)越高，濾波器幅頻特性的過(guò)渡帶越陡，越接近理想特性。一般情況下，一階濾波器過(guò)渡帶按每十倍頻20dB速率衰減;二階濾波器每十倍頻40dB速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。

　　5. 低通和高通濾波器之間的對(duì)偶關(guān)系

　　( 1)幅頻特性的對(duì)偶關(guān)系

　　當(dāng)?shù)屯V波器和高通濾波器的通帶增益 A0、 截止頻率 或 f0分別相等時(shí)，兩者的幅頻特性曲線相對(duì)于垂直線f=f0對(duì)稱。

　　( 2)傳遞函數(shù)的對(duì)偶關(guān)系

　　將低通濾波器傳遞函數(shù)中的S換成1/S，則變成對(duì)應(yīng)的高通濾波器的傳遞函數(shù)。

　　( 3)電路結(jié)構(gòu)上的對(duì)偶關(guān)系

　　將低通濾波器中的 起濾波作用的電容C換成電阻R，并將起濾波作用的電阻R換成電容C，則低通濾波器 轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的高通濾波器。