过滤器简介

了解各种类型的过滤器，包括常见术语和重要特征。

不确定从哪里开始阅读有关过滤器的内容？本文将帮助您更加熟悉滤波器，并介绍一些All About Circuits教材资源以供进一步学习。

什么是过滤器？

滤波器是一种能够通过（或放大）某些频率同时衰减其他频率的电路。因此，滤波器可以从还包含不需要或不相关频率的信号中提取重要频率。

在电子领域，滤波器有许多实际应用。示例包括：

无线电通信： 滤波器使无线电接收器只能“看到”所需信号，同时拒绝所有其他信号（假设其他信号具有不同的频率内容）。

直流电源：滤波器用于消除交流输入线上出现的不需要的高频（即噪声）。此外，电源的输出还使用滤波器来减少纹波。

音频电子设备：分频网络是一个滤波器网络，用于将低频音频传输到低音扬声器，将中频音频传输到中频扬声器，将高频声音传输到高音扬声器。

模数转换：滤波器放置在 ADC 输入之前，以地减少混叠。

四种主要类型的过滤器

滤波器的四种主要类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器（或带阻或带阻滤波器）。但请注意，术语“低”和“高”并不指频率的任何，而是指相对于截止频率的相对值。

下面的图 1 给出了这四个过滤器的工作原理的总体思路：

图1。四种主要过滤器类型的基本描述。

还有全通滤波器这样的东西，但我不认为它是本文的四种基本滤波器类型之一。

无源和有源滤波器

滤波器可以分为两类之一：无源或有源。

无源滤波器仅包括无源元件——电阻器、电容器和电感器。相比之下，有源滤波器除了使用电阻器和电容器之外，还使用运算放大器等有源元件，但不使用电感器。

无源滤波器对大约 100 Hz 至 300 MHz 的频率范围敏感。对下端的限制是由于电感或电容在低频下必须相当大这一事实造成的。频率上限是由于寄生电容和电感的影响而产生的。仔细的设计实践可以将无源电路的使用扩展到千兆赫范围。

有源滤波器能够处理非常低的频率（接近 0 Hz），并且可以提供电压增益（无源滤波器不能）。有源滤波器可用于设计高阶滤波器，无需使用电感器；这很重要，因为电感器在集成电路制造技术中存在问题。然而，由于放大器带宽限制，有源滤波器不太适合高频应用。射频电路必须经常使用无源滤波器。

一些要点和术语

响应曲线用于描述滤波器的行为方式。响应曲线只是显示衰减比 (V OUT / V IN ) 与频率的关系的图表（参见下面的图 2）。衰减通常以分贝(dB) 为单位表示。频率可以用两种形式表示：角度形式 ω（单位为 rad/s）或更常见的形式 f（单位为 Hz，即每秒周期）。这两种形式通过 ω = 2πf 相关。，滤波器响应曲线可以以线性-线性、对数-线性或对数-对数形式绘制。常见的方法是在 y 轴上使用分贝，在 x 轴上使用对数频率。

图 2.四种主要滤波器类型的响应曲线。

注：陷波滤波器是带宽较窄的带阻滤波器。陷波滤波器用于衰减窄范围的频率。

以下是描述滤波器响应曲线时常用的一些技术术语：

-3 dB 频率 ( f 3dB )。该术语发音为“负 3dB 频率”，对应于导致输出信号相对于输入信号下降 -3dB 的输入频率。-3 dB 频率也称为截止频率。 它是输出功率减少二分之一时的频率（这就是为什么该频率也称为“半功率频率”），或者输出电压是输入电压乘以1/√2。对于低通和高通滤波器，只有一个 -3 dB 频率。然而，带通滤波器和陷波滤波器有两个 -3 dB 频率——通常称为f 1和f 2。

中心频率 ( f 0 ) 。中心频率是用于带通滤波器和陷波滤波器的术语，是上截止频率和下截止频率之间的中心频率。中心频率通常定义为下截止频率和上截止频率的算术平均值（参见下面的公式）或几何平均值。

带宽（β或 BW）。带宽是通带的宽度，通带是从滤波器的输入移动到滤波器的输出时不会经历显着衰减的频带。

阻带频率 ( fs )。这是衰减达到指定值的特定频率。

对于低通和高通滤波器，超出阻带频率的频率称为阻带。

对于带通滤波器和陷波滤波器，存在两个阻带频率。这两个阻带频率之间的频率称为阻带。

品质因数 ( Q )：滤波器的品质因数反映了其阻尼特性。在时域中，阻尼对应于系统阶跃响应中的振荡量。在频域中，较高的 Q 值对应于系统幅度响应的更多（正或负）峰值。对于带通或陷波滤波器，Q 表示中心频率与-3dB 带宽之间的比率（即f 1和f 2之间的距离）。

对于带通滤波器和陷波滤波器：

$$Q =\frac{f_0}{f_2 - f_1}$$

结论

过滤器在许多常见应用中发挥着关键作用。此类应用包括电源、音频电子设备和无线电通信。滤波器可以是有源的或无源的，滤波器的四种主要类型是低通、高通、带通和陷波/带阻（尽管也有全通滤波器）。