濾波器

濾波器是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件，是一種讓某一頻帶內(nèi)信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又阻止這一頻帶外信號(hào)通過(guò)的電路。

濾波器主要有低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器三種，按照電路工作原理又可分為無(wú)源和有源濾波器兩大類(lèi)。本文主要對(duì)低通、高通還有帶通三種濾波器做以下簡(jiǎn)單的介紹，希望電子愛(ài)好者的朋友們看完有一點(diǎn)小小的收獲。

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低通濾波器

電感阻止高頻信號(hào)通過(guò)而允許低頻信號(hào)通過(guò)，電容的特性卻相反。信號(hào)能夠通過(guò)電感的濾波器、或者通過(guò)電容連接到地的濾波器對(duì)于低頻信號(hào)的衰減要比高頻信號(hào)小，稱(chēng)為低通濾波器。

低通濾波器原理很簡(jiǎn)單，它就是利用電容通高頻阻低頻、電感通低頻阻高頻的原理。對(duì)于需要截止的高頻，利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過(guò)；對(duì)于需要放行的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)讓它通過(guò)。

最簡(jiǎn)單的低通濾波器由電阻和電容元件構(gòu)成，如下圖。該低通濾波器的作用是讓低于轉(zhuǎn)折頻率f。的低頻段信號(hào)通過(guò)， 而將高于轉(zhuǎn)折頻率f。的信號(hào)去掉。

RC無(wú)源低通濾波器

RC無(wú)源低通濾波器的幅頻特性曲線

這一低通濾波器的工作原理是這樣：當(dāng)輸入信號(hào)Vin中頻率低于轉(zhuǎn)折頻率f。的信號(hào)加到電路中時(shí)，由于C的容抗很大而無(wú)分流作用，所以這一低頻信號(hào)經(jīng)R輸出。當(dāng)Vin中頻率高于轉(zhuǎn)折頻率f。時(shí)，因C的容抗已很小，故通過(guò)R的高頻信號(hào)由C分流到地而無(wú)輸出，達(dá)到低通的目的。這一RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率f。由下式?jīng)Q定：

低通濾波器除這種RC電路外，還可以是LC等電路形式。

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高通濾波器

最簡(jiǎn)單的高通濾波器是“一階高通濾波器”，它的的特性一般用一階線性微分方程表示，它的左邊與一階低通濾波器完全相同，僅右邊是激勵(lì)源的導(dǎo)數(shù)而不是激勵(lì)源本身。當(dāng)較低的頻率通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有或幾乎沒(méi)有什么輸出，而當(dāng)較高的頻率通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)受到較小的衰減。

實(shí)際上，對(duì)于極高的頻率而言，電容器相當(dāng)于“短路”一樣，這些頻率，基本上都可以在電阻兩端獲得輸出。換言之，這個(gè)系統(tǒng)適宜于通過(guò)高頻率而對(duì)低頻率有較大的阻礙作用，是一個(gè)最簡(jiǎn)單的“高通濾波器”，如下圖。

RC元件構(gòu)成的高通濾波器

RC高通濾波器的幅頻特性曲線

這一電路的工作原理是這樣：當(dāng)頻率低于f。的信號(hào)輸入這一濾波器時(shí)，由于C1的容抗很大而受到阻止，輸出減小，且頻率愈低輸出愈小。當(dāng)頻率高于f。的信號(hào)輸入這一濾波器時(shí)，由于C1容抗已很小，故對(duì)信號(hào)無(wú)衰減作用，這樣該濾波器具有讓高頻信號(hào)通過(guò)，阻止低頻信號(hào)的作用。這一電路的轉(zhuǎn)折頻率f。由下式?jīng)Q定：

高通濾波器除可以用元件外，還可以用LC構(gòu)成。

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帶通濾波器

帶通濾波器是一種僅允許特定頻率通過(guò)，同時(shí)對(duì)其余頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制的電路。由于它對(duì)信號(hào)具有選擇性，故而被廣泛地應(yīng)用現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中。比如RLC振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。

帶通濾波器的作用

一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒(méi)有放大或者衰減。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒(méi)有被隔離的范圍。這通常稱(chēng)為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來(lái)表示。 通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來(lái)越小，通帶就變得不再平坦，開(kāi)始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱(chēng)為吉布斯現(xiàn)象。

以上是三種常見(jiàn)的濾波器的簡(jiǎn)單介紹，其實(shí)濾波器的種類(lèi)多種多樣，在這里我們就不一一介紹了。