滤波器可以放在与滤波器频率响应的一般特征相对应的广泛类别中。如果滤波器通过低频并阻止高频,则称为低通滤波器;如果它阻挡低频并通过高频,它就是一个高通滤波器。还有带通滤波器,其仅通过相对窄的频率范围,以及带阻滤波器,其仅阻挡相对窄的频率范围。

 

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还可以根据用于实现电路的组件类型对滤波器进行分类。无源滤波器使用电阻器,电容器和电感器,这些组件不具备提供放大的能力,因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。另一方面,有源滤波器既可以滤波信号又可以应用增益,因为它包括有源元件,如晶体管或运算放大器

 

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这种有源低通滤波器基于流行的 Sallen-Key 拓扑结构。


本文将探讨无源低通滤波器的分析和设计,这些电路在各种系统和应用中发挥着重要作用。


RC 低通滤波器


为了创建无源低通滤波器,我们需要将电阻元件与电抗元件组合在一起。换句话说,我们需要一个由电阻器和电容器或电感器组成的电路。从理论上讲,电阻 - 电感(RL)低通拓扑在滤波能力方面与电阻 - 电容(RC)低通拓扑相当。但实际上,电阻 - 电容方案更为常见,因此本文的其余部分将重点介绍 RC 低通滤波器。

 


如图所示,通过将一个电阻与信号路径串联,并将一个电容与负载并联,可以产生 RC 低通响应。在图中,负载是单个组件,但在实际电路中,它可能更复杂,例如模拟到数字转换器,放大器或示波器的输入级,用于测量滤波器的响应。


如果我们认识到电阻器和电容器形成与频率相关的分压器,我们可以直观地分析 RC 低通拓扑的滤波动作。

 


重新绘制 RC 低通滤波器,使其看起来像分压器。


当输入信号的频率低时,电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗高; 因此,大部分输入电压在电容器上(和负载两端,与电容器并联)下降。当输入频率较高时,电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低,这意味着电阻器上的电压降低,并且较少的电压传输到负载。因此,低频通过并且高频被阻挡。


RC 低通功能的这种定性解释是重要的第一步,但是当我们需要实际设计电路时它并不是很有用,因为术语“高频”和“低频”非常模糊。工程师需要创建通过并阻止特定频率的电路。例如,在上述音频系统中,我们希望保留 5kHz 信号并抑制 500kHz 信号。这意味着我们需要一个滤波器,从 5 kHz 到 500 kHz 之间的传递过渡到阻塞。