作為一個(gè)電子硬件方面的工作者，怎么能不認(rèn)識(shí)濾波器呢？那么到底什么是濾波？分享一篇科普文了解一下電阻—電容（RC）低通濾波器是什么，以及在何處使用它們能讓你更好的掌握高端電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)。本文將介紹濾波的概念，并詳細(xì)說(shuō)明電阻—電容（RC）低通濾波器的用途和特性。

時(shí)域和頻域

當(dāng)您在示波器上查看電信號(hào)時(shí)，您會(huì)看到一條線，表示電壓隨時(shí)間的變化。在任何特定時(shí)刻，信號(hào)只有一個(gè)電壓值。您在示波器上看到的是信號(hào)的時(shí)域表示。

典型的示波器跟蹤顯示非常直觀，但也有一定的限制性，因?yàn)樗恢苯语@示信號(hào)的頻率內(nèi)容。而與時(shí)域表示相反就是頻域，其中一個(gè)時(shí)刻僅對(duì)應(yīng)于一個(gè)電壓值，頻域表示（也稱(chēng)為頻譜）通過(guò)識(shí)別同時(shí)存在的各種頻率分量來(lái)傳達(dá)關(guān)于信號(hào)的信息。

什么是濾波器？

濾波器是一個(gè)電路，其去除或“過(guò)濾掉”頻率分量的特定范圍。換句話說(shuō)，它將信號(hào)的頻譜分離為將要通過(guò)的頻率分量和將被阻隔的頻率分量。

如果您對(duì)頻域分析沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)，您可能仍然不確定這些頻率成分是什么，以及它們?nèi)绾卧诓荒芡瑫r(shí)具有多個(gè)電壓值的信號(hào)中共存。讓我們看一個(gè)有助于澄清這個(gè)概念的簡(jiǎn)短例子。

假設(shè)我們有一個(gè)由完美的5kHz正弦波組成的音頻信號(hào)。我們知道時(shí)域中的正弦波是什么樣的，在頻域中我們只能看到5kHz的頻率“尖峰”。現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們激活一個(gè)500kHz振蕩器，將高頻噪聲引入音頻信號(hào)。

在示波器上看到的信號(hào)仍然只是一個(gè)電壓序列，每個(gè)時(shí)刻有一個(gè)值，但信號(hào)看起來(lái)會(huì)有所不同，因?yàn)樗臅r(shí)域變化現(xiàn)在必須反映5kHz正弦波和高頻噪音波動(dòng)。

然而，在頻域中，正弦波和噪聲是在一個(gè)信號(hào)中同時(shí)存在的單獨(dú)的頻率分量。正弦波和噪聲占據(jù)了信號(hào)頻域表示的不同部分（如圖1所示），這意味著我們可以通過(guò)將信號(hào)引導(dǎo)通過(guò)低頻并阻擋高頻的電路來(lái)濾除噪聲。

圖1：正弦波和噪聲信號(hào)頻域的不同部分分布

濾波器的類(lèi)型

濾波器可以放在與濾波器頻率響應(yīng)的一般特征相對(duì)應(yīng)的廣泛類(lèi)別中。如果濾波器通過(guò)低頻并阻止高頻，則稱(chēng)為低通濾波器；如果它阻擋低頻并通過(guò)高頻，它就是一個(gè)高通濾波器。還有帶通濾波器，其僅通過(guò)相對(duì)窄的頻率范圍，以及帶阻濾波器，其僅阻擋相對(duì)窄的頻率范圍（圖２）。

圖２：各濾波器頻域表示

還可以根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)電路的組件類(lèi)型對(duì)濾波器進(jìn)行分類(lèi)。無(wú)源濾波器使用電阻器，電容器和電感器，這些組件不具備提供放大的能力，因此無(wú)源濾波器只能維持或減小輸入信號(hào)的幅度。另一方面，有源濾波器既可以濾波信號(hào)又可以應(yīng)用增益，因?yàn)樗ㄓ性丛?，?a target="_blank">晶體管或運(yùn)算放大器（圖３）。

圖3

這種有源低通濾波器基于流行的Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文將探討無(wú)源低通濾波器的分析和設(shè)計(jì)。這些電路在各種系統(tǒng)和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

RC低通濾波器

為了創(chuàng)建無(wú)源低通濾波器，我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。換句話說(shuō)，我們需要一個(gè)由電阻器和電容器或電感器組成的電路。從理論上講，電阻—電感（RL）低通拓?fù)湓跒V波能力方面與電阻—電容（RC）低通拓?fù)湎喈?dāng)。但實(shí)際上，電阻—電容方案更為常見(jiàn)，因此本文的其余部分將重點(diǎn)介紹RC低通濾波器（圖４）。

圖4：RC低通濾波器

如圖所示，通過(guò)將一個(gè)電阻與信號(hào)路徑串聯(lián)，并將一個(gè)電容與負(fù)載并聯(lián)，可以產(chǎn)生RC低通響應(yīng)。在圖中，負(fù)載是單個(gè)組件，但在實(shí)際電路中，它可能更復(fù)雜，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器，放大器或示波器的輸入級(jí)，用于測(cè)量濾波器的響應(yīng)。

如果我們認(rèn)識(shí)到電阻器和電容器形成與頻率相關(guān)的分壓器，就可以直觀地分析RC低通拓?fù)涞臑V波動(dòng)作（圖５）。

圖5：重新繪制RC低通濾波器，使其看起來(lái)像分壓器

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率低時(shí)，電容器的阻抗相對(duì)于電阻器的阻抗高；因此，大部分輸入電壓在電容器上（和負(fù)載兩端，與電容器并聯(lián)）下降。當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，電容器的阻抗相對(duì)于電阻器的阻抗較低，這意味著電阻器上的電壓降低，并且較少的電壓傳輸?shù)截?fù)載。因此，低頻通過(guò)并且高頻被阻擋。

RC低通功能的這種定性解釋是重要的第一步，但是當(dāng)我們需要實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)它并不是很有用，因?yàn)樾g(shù)語(yǔ)“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要?jiǎng)?chuàng)建通過(guò)并阻止特定頻率的電路。例如，在上述音頻系統(tǒng)中，我們希望保留5kHz信號(hào)并抑制500kHz信號(hào)。這意味著我們需要一個(gè)濾波器，從5kHz到500kHz之間的傳遞過(guò)渡到阻塞。

RC低通濾波器

濾波器不會(huì)引起顯著衰減的頻率范圍稱(chēng)為通帶，濾波器確實(shí)導(dǎo)致顯著衰減的頻率范圍稱(chēng)為阻帶。模擬濾波器，例如RC低通濾波器，總是從通帶逐漸過(guò)渡到阻帶。這意味著無(wú)法識(shí)別濾波器停止傳遞信號(hào)并開(kāi)始阻塞信號(hào)的一個(gè)頻率。然而，工程師需要一種方便，簡(jiǎn)潔地總結(jié)濾波器頻率響應(yīng)的方法，這就是截止頻率概念發(fā)揮作用的地方。

當(dāng)您查看RC濾波器的頻率響應(yīng)圖時(shí)，您會(huì)注意到術(shù)語(yǔ)“截止頻率”不是很準(zhǔn)確。信號(hào)光譜被“切割”成兩半的圖像，其中一個(gè)被保留而其中一個(gè)被丟棄，不適用，因?yàn)殡S著頻率從截止點(diǎn)下方移動(dòng)到截止值以上，衰減逐漸增加。

RC低通濾波器的截止頻率實(shí)際上是輸入信號(hào)幅度降低3dB的頻率（選擇該值是因?yàn)榉冉档?dB對(duì)應(yīng)于功率降低50％）。因此，截止頻率也稱(chēng)為-3dB頻率，實(shí)際上該名稱(chēng)更準(zhǔn)確且信息量更大。術(shù)語(yǔ)帶寬是指濾波器通帶的寬度，在低通濾波器的情況下，帶寬等于-3dB頻率（如圖６所示）。

圖6

圖6表示RC低通濾波器的頻率響應(yīng)的一般特性，帶寬等于-3dB頻率。

如上所述，RC濾波器的低通行為是由電阻器的頻率無(wú)關(guān)阻抗與電容器的頻率相關(guān)阻抗之間的相互作用引起的。為了確定濾波器頻率響應(yīng)的細(xì)節(jié)，我們需要在數(shù)學(xué)上分析電阻（R）和電容（C）之間的關(guān)系，我們還可以操縱這些值，以設(shè)計(jì)滿足精確規(guī)格的濾波器。RC低通濾波器的截止頻率（fC）計(jì)算如下：

圖7

我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)例。電容值比電阻值更具限制性，因此我們將從常見(jiàn)的電容值（例如10nF）開(kāi)始，然后我們將使用該公式來(lái)確定所需的電阻值。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，它將保留5kHz音頻波形并抑制500kHz噪聲波形。我們將嘗試100kHz的截止頻率，稍后在文章中我們將更仔細(xì)地分析此濾波器對(duì)兩個(gè)頻率分量的影響，公式如圖8。

圖8

因此，160Ω電阻與10nF電容相結(jié)合，將為我們提供一個(gè)非常接近所需頻率響應(yīng)的濾波器。

計(jì)算濾波器響應(yīng)

我們可以通過(guò)使用典型分壓器計(jì)算的頻率相關(guān)版本來(lái)計(jì)算低通濾波器的理論行為。電阻分壓器的輸出表示如圖9：

圖9

圖10

RC濾波器使用等效結(jié)構(gòu)，但是我們有一個(gè)電容器代替R2（圖10）。首先，我們用電容器的電抗（XC）代替R2（在分子中）。接下來(lái)，我們需要計(jì)算總阻抗的大小并將其放在分母中。因此，我們有（圖11）：

圖11

電容器的電抗表示與電流的相反量，但與電阻不同，相反量取決于通過(guò)電容器的信號(hào)頻率。因此，我們必須計(jì)算特定頻率的電抗，計(jì)算公式如下（圖12）：

圖12

在上面的設(shè)計(jì)實(shí)例中，R≈160Ω且C=10nF。我們假設(shè)VIN的幅度是1V，這樣我們就可以簡(jiǎn)單地從計(jì)算中去掉VIN。首先讓我們以正弦波頻率計(jì)算VOUT的幅度（圖12）：

圖13

正弦波的幅度基本不變。這很好，因?yàn)槲覀兊哪康氖窃谝种圃胍舻耐瑫r(shí)保持正弦波。這個(gè)結(jié)果并不令人驚訝，因?yàn)槲覀冞x擇的截止頻率（100kHz）遠(yuǎn)高于正弦波頻率（5kHz）。

現(xiàn)在讓我們看看濾波器如何成功衰減噪聲分量（圖14）。

圖14

噪聲幅度僅為其原始值的約20％。

可視化濾波器響應(yīng)

評(píng)估濾波器對(duì)信號(hào)影響的最方便方法是檢查濾波器頻率響應(yīng)的圖。這些圖形通常稱(chēng)為波德圖，在垂直軸上具有幅度（以分貝為單位），在水平軸上具有頻率；水平軸通常具有對(duì)數(shù)標(biāo)度，使得1Hz和10Hz之間的物理距離與10Hz和100Hz之間，100Hz和1kHz之間的物理距離相同等等（圖15）。這種配置使我們能夠快速準(zhǔn)確地評(píng)估濾波器在很大頻率范圍內(nèi)的行為。

圖15：頻率響應(yīng)圖的一個(gè)例子

曲線上的每個(gè)點(diǎn)表示如果輸入信號(hào)的幅度為1V且頻率等于水平軸上的相應(yīng)值，則輸出信號(hào)將具有的幅度。例如，當(dāng)輸入頻率為1MHz時(shí)，輸出幅度（假設(shè)輸入幅度為1V）將為0.1V（因?yàn)?20dB對(duì)應(yīng)于十倍減少因子）。

當(dāng)您花費(fèi)更多時(shí)間使用濾波器電路時(shí)，此頻率響應(yīng)曲線的一般形狀將變得非常熟悉。通帶中的曲線幾乎完全平坦，然后隨著輸入頻率接近截止頻率，它開(kāi)始下降得更快。最終，衰減的變化率（稱(chēng)為滾降）穩(wěn)定在20dB/decade-即，輸入頻率每增加十倍，輸出信號(hào)的幅度降低20dB。

評(píng)估低通濾波器性能

如果我們仔細(xì)繪制我們?cè)诒疚那懊嬖O(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)，我們將看到5kHz時(shí)的幅度響應(yīng)基本上是0dB（即幾乎為零衰減），500kHz時(shí)的幅度響應(yīng)約為-14dB（對(duì)應(yīng)于0.2的增益）。這些值與我們?cè)谏弦还?jié)中執(zhí)行的計(jì)算結(jié)果一致。

由于RC濾波器總是從通帶到阻帶逐漸過(guò)渡，并且因?yàn)樗p永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到無(wú)窮大，我們無(wú)法設(shè)計(jì)出“完美”的濾波器—即對(duì)正弦波沒(méi)有影響并完全消除噪聲的濾波器。相反，我們總是需要權(quán)衡。如果我們將截止頻率移近5kHz，我們將有更多的噪聲衰減，但我們想要發(fā)送到揚(yáng)聲器的正弦波也會(huì)衰減更多。如果我們將截止頻率移近500kHz，我們?cè)谡也l率下的衰減會(huì)減少，但噪聲頻率下的衰減也會(huì)減少。

低通濾波器相移

相位的概念是指周期內(nèi)特定時(shí)刻的周期信號(hào)的值。因此，當(dāng)我們說(shuō)電路引起相移時(shí)，我們的意思是它會(huì)在輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間產(chǎn)生偏差：輸入和輸出信號(hào)不再在同一時(shí)刻開(kāi)始和結(jié)束它們的周期。相移值（例如45°或90°）表示產(chǎn)生的偏差量。

電路中的每個(gè)電抗元件都會(huì)引入90°的相移，但這種相移不會(huì)同時(shí)發(fā)生。輸出信號(hào)的相位與輸出信號(hào)的振幅一樣，隨著輸入頻率的增加而逐漸變化。RC低通濾波器中有一個(gè)電抗元件（電容器），因而電路最終也會(huì)引入90°的相移。

與振幅響應(yīng)一樣，通過(guò)檢查水平軸表示對(duì)數(shù)頻率的曲線圖，可以最容易地評(píng)估相位響應(yīng)。以下描述表示了一般模式，查看圖1可以進(jìn)一步了解詳細(xì)信息。

相移最初為0°。

相移逐漸增加，直到在截止頻率處達(dá)到45°；在這部分響應(yīng)期間，變化率逐漸增加。

在截止頻率之后，相移繼續(xù)增加，但變化率逐漸降低。

隨著相移逐漸接近90°，變化率變得非常小。

圖1

實(shí)線是振幅響應(yīng)，虛線是相位響應(yīng)。截止頻率為100kHz。注意，截止頻率下的相移為45°。

二階低通濾波器

到目前為止，我們假設(shè)RC低通濾波器由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成。這種配置是一階濾波器。

無(wú)源濾波器的“階數(shù)”由電路中電抗元件（即電容器或電感器）的數(shù)量決定。高階濾波器具有更多的無(wú)功元件，會(huì)產(chǎn)生更多的相移和更陡的滾降，而后者是增加濾波器階數(shù)的主要?jiǎng)訖C(jī)。

向?yàn)V波器添加一個(gè)電抗元件，例如，從一階到二階或二階到三階，便可將最大滾降增加20dB/十倍。

二階濾波器通常圍繞由電感器和電容器組成的諧振電路構(gòu)建，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱(chēng)為RLC（Resistor-Inductor-Capacitor）。但是，也可以創(chuàng)建二階RC濾波器。如下圖所示，我們需要做的就是將兩個(gè)一階RC濾波器級(jí)聯(lián)起來(lái)（圖2）。

圖2

雖然這種拓?fù)淇隙〞?huì)產(chǎn)生二階響應(yīng)，但它沒(méi)有被廣泛使用。正如我們將在下一節(jié)中看到的那樣，其頻率響應(yīng)通常不如二階有源濾波器或二階RLC濾波器。

二階RC濾波器的頻率響應(yīng)

我們可以嘗試根據(jù)所需的截止頻率設(shè)計(jì)一階濾波器，然后從中選擇兩個(gè)串聯(lián)連接來(lái)，從而構(gòu)成二階RC低通濾波器。此舉確實(shí)可以使濾波器表示出類(lèi)似的總頻率響應(yīng)，最大滾降為40dB/decade而不是20dB/decade。

但是，如果我們更仔細(xì)地觀察響應(yīng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)-3dB頻率出現(xiàn)降低。二階RC濾波器的行為不符合預(yù)期，因?yàn)閮蓚€(gè)濾波階段不是獨(dú)立的，因此不能簡(jiǎn)單地將這兩個(gè)濾波器連接在一起，并將電路分析為一階低通濾波器疊加一個(gè)相同的一階低通過(guò)濾。

此外，即使我們?cè)趦杉?jí)之間插入緩沖器，使得第一階RC和第二階RC可以用作獨(dú)立濾波器，此時(shí)原始截止頻率處的衰減將是6dB而不是3dB。這恰恰是因?yàn)閮呻A獨(dú)立工作而導(dǎo)致的。第一個(gè)濾波器在截止頻率處具有3dB的衰減，而第二個(gè)濾波器加上了另外3dB的衰減（圖3）。

圖3

二階RC低通濾波器的基本限制是設(shè)計(jì)人員無(wú)法通過(guò)調(diào)整濾波器的Q因子來(lái)微調(diào)從通帶到阻帶的轉(zhuǎn)換；此參數(shù)表示頻率響應(yīng)的阻尼程度。如果將兩個(gè)相同的RC低通濾波器級(jí)聯(lián)，則整體傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)于二階響應(yīng)，但Q因子始終為0.5。當(dāng)Q=0.5時(shí)，濾波器處于過(guò)阻尼的邊界，這會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)在過(guò)渡區(qū)域中“下垂”。二階有源濾波器和二階諧振濾波器沒(méi)有這一限制；設(shè)計(jì)人員可以控制Q因子，從而微調(diào)過(guò)渡區(qū)域的頻率響應(yīng)。

小結(jié)

所有電信號(hào)都混合了所需頻率分量和不需要的頻率分量。不需要的頻率分量通常由噪聲和干擾引起，并且在某些情況下會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

濾波器是以不同方式對(duì)信號(hào)頻譜的不同部分作出反應(yīng)的電路。低通濾波器旨在讓低頻分量通過(guò)，同時(shí)阻止高頻分量。

低通濾波器的截止頻率表示濾波器從低衰減變?yōu)轱@著衰減的頻率區(qū)域。

RC低通濾波器的輸出電壓可以通過(guò)將電路視為由（頻率無(wú)關(guān)）電阻和（頻率相關(guān)）電抗組成的分壓器來(lái)計(jì)算。

振幅（以dB為單位，在垂直軸上）與對(duì)數(shù)頻率（以赫茲為單位，在水平軸上）的曲線圖是檢查濾波器理論行為的方便有效的方法，還可以使用相位與對(duì)數(shù)頻率的關(guān)系圖來(lái)確定將要應(yīng)用于輸入信號(hào)的相移量。

二階濾波器的滾降更陡峭；當(dāng)信號(hào)不能在所需頻率分量和不需要的頻率分量之間提供寬帶分離時(shí)，這種二階響應(yīng)比較有用。

可以通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)相同的一階RC低通濾波器，然后將一個(gè)的輸出連接到另一個(gè)的輸入來(lái)創(chuàng)建二階RC低通濾波器，但最終整體的-3dB頻率將低于預(yù)期。

編輯：黃飛

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