濾波器可以放在與濾波器頻率響應的一般特征相對應的廣泛類別中。如果濾波器通過低頻并阻止高頻,則稱為低通濾波器;如果它阻擋低頻并通過高頻,它就是一個高通濾波器。還有帶通濾波器,其僅通過相對窄的頻率范圍,以及帶阻濾波器,其僅阻擋相對窄的頻率范圍。

 

圖片來源于網絡


還可以根據用于實現電路的組件類型對濾波器進行分類。無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,因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。另一方面,有源濾波器既可以濾波信號又可以應用增益,因為它包括有源元件,如晶體管或運算放大器。

 

圖片來源于網絡


這種有源低通濾波器基于流行的 Sallen-Key 拓撲結構。


本文將探討無源低通濾波器的分析和設計,這些電路在各種系統和應用中發揮著重要作用。


RC 低通濾波器


為了創建無源低通濾波器,我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。換句話說,我們需要一個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)低通拓撲在濾波能力方面與電阻 - 電容(RC)低通拓撲相當。但實際上,電阻 - 電容方案更為常見,因此本文的其余部分將重點介紹 RC 低通濾波器。

 


如圖所示,通過將一個電阻與信號路徑串聯,并將一個電容與負載并聯,可以產生 RC 低通響應。在圖中,負載是單個組件,但在實際電路中,它可能更復雜,例如模擬到數字轉換器,放大器或示波器的輸入級,用于測量濾波器的響應。


如果我們認識到電阻器和電容器形成與頻率相關的分壓器,我們可以直觀地分析 RC 低通拓撲的濾波動作。

 


重新繪制 RC 低通濾波器,使其看起來像分壓器。


當輸入信號的頻率低時,電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗高; 因此,大部分輸入電壓在電容器上(和負載兩端,與電容器并聯)下降。當輸入頻率較高時,電容器的阻抗相對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到負載。因此,低頻通過并且高頻被阻擋。


RC 低通功能的這種定性解釋是重要的第一步,但是當我們需要實際設計電路時它并不是很有用,因為術語“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要創建通過并阻止特定頻率的電路。例如,在上述音頻系統中,我們希望保留 5kHz 信號并抑制 500kHz 信號。這意味著我們需要一個濾波器,從 5 kHz 到 500 kHz 之間的傳遞過渡到阻塞。