本文介紹了濾波的概念
，並詳細說明了電阻 - 電容（RC）低通濾波器的用途和特性。

 

1時域和頻域

 

當我們在示波器上查看電信號時
，會看到一條線，表示電壓隨時間的變 化。在任何特定時刻，信號隻有一個電壓值。我們在示波器上看到的是信號的時域表示。

 

典型的示波器很直觀
，但它也有一定的限製性，因為它不直接顯示信號的頻率內容。與時域表示相反，頻域表示（也稱為頻譜）通過識別同時存在的各種頻率分量來傳達關於信號的信息。

 

正弦波（頂部）和方波（底部）的時域表示

 

正弦波（頂部）和方波（底部）的頻域表示

 

2什麼是濾波器

 

濾波器是一個電路，其去除或“過濾掉”特定範圍的頻率分量。換句話說，它將信號的頻譜分離為將要通過的頻率分量和將被阻塞的頻率分量。

 

讓我們假設我們有一個由完美的5 kHz正弦波組成的音頻信號。我們知道時域中的正弦波是什麼樣的，在頻域中我們隻能看到5 kHz的頻率“尖峰”。現在讓我們假設我們激活一個500 kHzzhendangqi，jianggaopinzaoshengyinruyinpinxinhao。zaishiboqishangkandaodexinhaorengranzhishiyigedianyaxulie，meigeshikeyouyigezhi，danxinhaokanqilaihuiyousuobutong，yinweitadeshiyubianhuaxianzaibixufanying5 kHz正(zheng)弦(xian)波(bo)和(he)高(gao)頻(pin)噪(zao)音(yin)波(bo)動(dong)。然(ran)而(er)

，在(zai)頻(pin)域(yu)中(zhong)，正(zheng)弦(xian)波(bo)和(he)噪(zao)聲(sheng)是(shi)在(zai)該(gai)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)中(zhong)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)的(de)單(dan)獨(du)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)量(liang)。正(zheng)弦(xian)波(bo)和(he)噪(zao)聲(sheng)占(zhan)據(ju)了(le)信(xin)號(hao)頻(pin)域(yu)表(biao)示(shi)的(de)不(bu)同(tong)部(bu)分(fen)（如下圖所示），這意味著我們可以通過將信號引導通過低頻並阻擋高頻的電路來濾除噪聲。

 

 

3濾波器的類型

 

ruguolvboqitongguodipinbingzuzhigaopin，zechengweiditonglvboqi。ruguotazudangdipinbingtongguogaopin，tajiushiyigegaotonglvboqi。haiyoudaitonglvboqi，qijintongguoxiangduizhaidepinlvfanwei
，yijidaizulvboqi

，qijinzudangxiangduizhaidepinlvfanwei。

 

 

還可以根據用於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
、電容、電感；zhexiezujianbujubeitigongfangdadenengli，yinciwuyuanlvboqizhinengweichihuojianxiaoshuruxinhaodefudu。lingyifangmian
，youyuanlvboqijikeyilvboxinhaoyoukeyiyingyongzengyi
，yinweitabaokuoyouyuanyuanjian，rujingtiguanhuoyunsuanfangdaqi。

 

基於流行的Sallen-Key拓撲結構的有源低通濾波器

 

4RC低通濾波器

 

weilechuangjianwuyuanditonglvboqi，womenxuyaojiangdianzuyuanjianyudiankangyuanjianzuhezaiyiqi。huanjuhuashuo
，womenxuyaoyigeyoudianzuqihedianrongqihuodianganqizuchengdedianlu。conglilunshangjiang，dianzu - 電感（RL）低通拓撲在濾波能力方麵與電阻 - 電容（RC）低通拓撲相當。但實際上，電阻 - 電容版本更為常見
，因此本文的其餘部分將重點介紹RC低通濾波器。

 

RC低通濾波器

 

如圖所示，通過將一個電阻與信號路徑串聯
，並將一個電容與負載並聯， 可以產生RCditongxiangying。zaituzhong，fuzaishidangezujian，danzaishijidianluzhong，takenenggengfuza，lirumonidaoshuzizhuanhuanqi，fangdaqihuoshiboqideshuruji，yongyucelianglvboqidexiangying。

 

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。

 

重新繪製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
，電容器的阻抗相對於電阻器的阻抗高; 因此

，大部分輸入電壓在電容器上（和負載兩端，與電容器並聯）下(xia)降(jiang)。當(dang)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)時(shi)
，電(dian)容(rong)器(qi)的(de)阻(zu)抗(kang)相(xiang)對(dui)於(yu)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)阻(zu)抗(kang)較(jiao)低(di)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)電(dian)阻(zu)器(qi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)
，並(bing)且(qie)較(jiao)少(shao)的(de)電(dian)壓(ya)傳(chuan)輸(shu)到(dao)負(fu)載(zai)。因(yin)此(ci)，低(di)頻(pin)通(tong)過(guo)並(bing)且(qie)高(gao)頻(pin)被(bei)阻(zu)擋(dang)。

 

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並不是很有用，因為術語“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要創建通過並阻止特定頻率的電路。例如，在上述音頻係統中，我們希望保留5kHz信號並抑製500kHz信號。這意味著我們需要一個過濾器
，從5 kHz到500 kHz之間的傳遞過渡到阻塞。

 

5截止頻率

 

濾波器不會引起顯著衰減的頻率範圍稱為通帶

，濾波器確實導致顯著衰減的頻率範圍稱為阻帶。模擬濾波器，例如RC低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)
，總(zong)是(shi)從(cong)通(tong)帶(dai)逐(zhu)漸(jian)過(guo)渡(du)到(dao)阻(zu)帶(dai)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)無(wu)法(fa)識(shi)別(bie)濾(lv)波(bo)器(qi)停(ting)止(zhi)傳(chuan)遞(di)信(xin)號(hao)並(bing)開(kai)始(shi)阻(zu)塞(sai)信(xin)號(hao)的(de)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)。然(ran)而(er)，工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)方(fang)便(bian)，簡(jian)潔(jie)地(di)總(zong)結(jie)濾(lv)波(bo)器(qi)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)的(de)方(fang)法(fa)，這(zhe)就(jiu)是(shi)截(jie)止(zhi)頻(pin)率(lv)概(gai)念(nian)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)的(de)地(di)方(fang)。

 

當我們查看RC濾波器的頻率響應圖時
，會注意到術語“截止頻率”不是很準確。信號光譜被“切割”成兩半的圖像，其中一個被保留而其中一個被丟棄
， 不適用，因為隨著頻率從截止點下方移動到截止值以上，衰減逐漸增加。

 

RC低通濾波器的截止頻率實際上是輸入信號幅度降低3dB的頻率（選擇該值是因為幅度降低3dB對應於功率降低50％）。因此，截止頻率也稱為-3 dB頻率，實際上該名稱更準確且信息量更大。術語帶寬是指濾波器通帶的寬度，在低通濾波器的情況下，帶寬等於-3 dB頻率（如下圖所示）。

 

該圖表示RC低通濾波器的頻率響應的一般特性。帶寬等於-3 dB頻率

 

如上所述，RC濾lv波bo器qi的de低di通tong行xing為wei是shi由you電dian阻zu器qi的de頻pin率lv無wu關guan阻zu抗kang與yu電dian容rong器qi的de頻pin率lv相xiang關guan阻zu抗kang之zhi間jian的de相xiang互hu作zuo用yong引yin起qi的de。為wei了le確que定ding濾lv波bo器qi頻pin率lv響xiang應ying的de細xi節jie，我wo們men需xu要yao在zai數shu學xue上shang分fen析xi電dian阻zu（R）和電容（C）之間的關係

，我們還可以改變這些值，以設計滿足精確規格的濾波器。RC低通濾波器的截止頻率（f C） 計算如下：

 

 

我們來看一個簡單的設計實例。電容值比電阻值更具限製性，因此我們將從常見的電容值（例如10 nF）開始，然後我們將使用該公式來確定所需的電阻值。目標是設計一個濾波器，它將保留5 kHz音頻波形並抑製500 kHz 噪聲波形。我們將嚐試100 kHz的截止頻率，稍後在文章中我們將更仔細地分析此濾波器對兩個頻率分量的影響。

 

 

因此，160Ω電阻與10 nF電容相結合
，將為我們提供一個非常接近所需頻率響應的濾波器。

 

6計算過濾器響應

 

我們可以通過使用典型分壓器計算的頻率相關版本來計算低通濾波器的理論行為。電阻分壓器的輸出表示如下：

 

 

RC濾波器使用等效結構，但是我們有一個電容器代替R 2。首先，我們用電容器的電抗（X C）代替R 2（在分子中）。接下來，我們需要計算總阻抗的大小並將其放在分母中。因此
，我們有：

 

 

電dian容rong器qi的de電dian抗kang表biao示shi與yu電dian流liu的de相xiang反fan量liang

，但dan與yu電dian阻zu不bu同tong，相xiang反fan量liang取qu決jue於yu通tong過guo電dian容rong器qi的de信xin號hao頻pin率lv。因yin此ci，我wo們men必bi須xu計ji算suan特te定ding頻pin率lv的de電dian抗kang，我wo們men用yong於yu此ci的de等deng式shi如ru下xia：

 

 

在上麵的設計實例中，R≈160Ω且C = 10nF。我們假設V IN的幅度是1 V， 這樣我們就可以簡單地從計算中去掉V IN。首先讓我們以正弦波頻率計算VOUT的幅度：

 

 

正弦波的幅度基本不變。這很好
，因為我們的目的是在抑製噪音的同時保持正弦波。這個結果並不令人驚訝，因為我們選擇的截止頻率（100 kHz） 遠高於正弦波頻率（5 kHz）。

現在讓我們看看濾波器如何成功衰減噪聲分量。

 

 

噪聲幅度僅為其原始值的約20％。

 

7可視化過濾器響應

 

評估濾波器對信號影響的最方便方法是檢查濾波器頻率響應的圖。這些圖形通常稱為波德圖，在垂直軸上具有幅度（以分貝為單位）
，在水平軸上具有頻率; 水平軸通常具有指數標度

，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。這種表示方法使我們能夠快速準確地評估濾波器在很大頻率範圍內的作用。

 

頻率響應圖的一個例子

 

曲線上的每個點表示如果輸入信號的幅度為1 V且頻率等於水平軸上的相應值，則輸出信號將具有的幅度。例如
，當輸入頻率為1 MHz時，輸出幅度（假設輸入幅度為1 V）將為0.1 V（因為-20 dB對應於十倍減少因子）。

 

通帶中的曲線幾乎完全平坦，然後隨著輸入頻率接近截止頻率
，它開始下降得更快。最終，衰減的變化率穩定在20 dB / decade。即
，輸入頻率每增加十倍
，輸出信號的幅度降低20 dB。

 

8評估低通濾波器性能

 

如果我們仔細繪製我們在本文前麵設計的濾波器的頻率響應，我們將看到5 kHz時的幅度響應基本上是0 dB（即幾乎為零衰減），500 kHz時的幅度響應約為-14 dB（對應於0.2的增益）。這些值與我們在上一節中執行的計算結果一致。

 

由於RC濾波器總是從通帶到阻帶逐漸過渡

，並且因為衰減永遠不會達到無窮大，我們無法設計出“完美”的濾波器 - 即對正弦波完全沒有影響並完全消除噪聲的濾波器。相反，我們總是需要權衡。如果我們將截止頻率移近5 kHz， 我們將有更多的噪聲衰減

，但我們想要發送到揚聲器的正弦波衰減更多。如果我們將截止頻率移近500 kHz
，我們在正弦波頻率下的衰減會減少

，但噪聲頻率下的衰減也會減少。

 

9低通濾波器相移

 

到目前為止，我們已經討論了濾波器修改信號中各種頻率分量幅度的方式。然而，除了幅度效應之外
，電抗性電路元件總是引入相移。

 

xiangweidegainianshizhizhouqineitedingshikedezhouqixinhaodezhi。yinci

，dangwomenshuodianluyinqixiangyishi，womendeyisishitahuizaishuruxinhaoheshuchuxinhaozhijianchanshengbuduizhun：輸入和輸出信號不再在同一時刻開始和結束它們的周期。相移值（例如45°或90°）表示已創建多少未對準。

 

電路中的每個電抗元件都會引入90°的相移，但這種相移不會同時發生。輸出信號的相位與輸出信號的幅度一樣，隨著輸入頻率的增加而逐漸變化。在RC低通濾波器中

，我們有一個電抗元件（電容器），因此電路最終會引入90°的相移。

 

yufuduxiangyingyiyang，tongguojianzhashuipingzhoubiaoshizhishupinlvdequxiantu，keyizuirongyidipingguxiangweixiangying。xiamianmiaoshuleyibanqingkuang，ranhouwomenkeyitongguojianzhahuitulaitianxiexiangxixinxi。

 

● 相移最初為0°。

● 它逐漸增加，直到它在截止頻率達到45°; 在這部分響應期間，變化率正在增加。

● 在截止頻率之後，相移繼續增加
，但變化率正在降低。

● 隨著相移漸近接近90°
，變化率變得非常小。

 

實線是幅度響應
，虛線是相位響應。截止頻率為100 kHz。注意，截止頻率下的相移為45°

 

10二階低通濾波器

 

到目前為止，我們假設RC低通濾波器由一個電阻器和一個電容器組成。此配置是一階過濾器。 

 

無源濾波器的“次序”由電路中存在的電抗元件（即電容器或電感器）的數量決定。高階濾波器具有更多的無源器件，這導致更多的相移和更陡的衰減。通過向濾波器添加一個電抗元件 ，例如
，從一階到二階或二階到三階，最大斜率就會增加20 dB /shibei。gengdouqiaodexielvzhuanhuanweicongdishuaijiandaogaoshuaijiandegengkuaisuzhuanhuan
，suoyidangyijielvboqibujuyoujiangqiwangpinlvfenliangyuzaoshengfenliangfenlidekuanpindaishi，yongduojielvboqikeyishixianmude。

 

11總結

 

總結如下：

 

● 所suo有you電dian信xin號hao都dou包bao含han所suo需xu頻pin率lv分fen量liang和he不bu需xu要yao的de頻pin率lv分fen量liang的de混hun合he。不bu期qi望wang的de頻pin率lv分fen量liang通tong常chang由you噪zao聲sheng和he幹gan擾rao引yin起qi，並bing且qie在zai某mou些xie情qing況kuang下xia它ta們men將jiang對dui係xi統tong的de性xing能neng產chan生sheng負fu麵mian影ying響xiang。

 

● 濾波器是以不同方式對信號頻譜的不同部分作出反應的電路。低通濾波器旨在傳遞低頻分量並阻止高頻分量。

 

● 低通濾波器的截止頻率表示濾波器從低衰減轉變為顯著衰減的頻率區域。

 

● RC低通濾波器的輸出電壓可以通過將電路視為由（頻率無關）電阻和（頻率相關）電抗組成的分壓器來計算。

 

● 幅度（以dB為單位，在垂直軸上）與頻率（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。我們還可以使用相位與指數頻率的關係圖來確定將應用於輸入信號的相移量。

 

● 二階濾波器提供更陡峭的衰減; 當信號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，這種二階響應是有用的。

 

 

推薦閱讀：