濾波電路基本概念

　　濾波的概念就是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。電信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做濾波電路。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。

　　濾波電路作用

　　濾波電路的基本作用是讓某種頻率的電流通過(guò)或阻止某種頻率的電流通過(guò)。

　　濾波電路作用是盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。

　　濾波電路工作原理

　　整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動(dòng)成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來(lái)濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。

　　脈動(dòng)系數(shù)（S）=輸出電壓交流分量的基波最大值／輸出電壓的直流分量

　　半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1．57，全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S≈O．67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動(dòng)系數(shù)S=1／（4（RLC／T-1）。（T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。）

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（一）

簡(jiǎn)單一階低通有源濾波器

一階低通濾波器的電路如圖13.04所示，其幅頻特性見(jiàn)圖13.05，圖中虛線為理想的情況，實(shí)線為實(shí)際的情況。特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（二）

簡(jiǎn)單二階低通有源濾波器

為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階LPF的電路圖如圖6所示，幅頻特性曲線如圖7所示。

與理想的二階波特圖相比，在超過(guò)f0以后，幅頻特性以-40dB/dec的速率下降，比一階的下降快。但在通帶截止頻率fp→f0之間幅頻特性下降的還不夠快。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（三）

二階壓控型低通有源濾波器

（1）二階壓控型LPF

二階壓控型低通有源濾波器如圖8所示。其中的一個(gè)電容器C1原來(lái)是接地的，現(xiàn)在改接到輸出端。顯然，C1的改接不影響通帶增益。

（2）二階壓控型LPF的傳遞函數(shù)

（3）頻率響應(yīng)

由傳遞函數(shù)可以寫(xiě)出頻率響應(yīng)的表達(dá)式

以上兩式表明，當(dāng)2《Avp《3時(shí)，Q》1，在f=f0處的電壓增益將大于Avp，幅頻特性在f=f0處將抬高，具體請(qǐng)參閱圖9。當(dāng)Avp≥3時(shí)，Q=∞，有源濾波器自激。由于將C1接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（四）

二階反相型低通有源濾波器

二階反相型LPF如圖10所示，它是在反相比例積分器的輸入端再加一節(jié)RC低通電路而構(gòu)成。二階反相型LPF的改進(jìn)電路如圖11所示。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（五）

有源高通濾波器（HPF）

二階壓控型有源高通濾波器的電路圖如13.12圖所示。

結(jié)論：當(dāng)f《f0時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec；當(dāng)Avp≥3時(shí)，電路自激。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（六）

有源帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）

有源帶通濾波器（BPF）電路如圖14所示。有源帶阻濾波器（BEF）電路如圖15所示。

帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（七）

一階低通Butterworth濾波電路

下圖a和b是用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實(shí)際上就是一個(gè)積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。

最簡(jiǎn)單的濾波電路圖（八）

一階有源低通濾波器升級(jí)二階有源低通濾波器

為改善濾波效果，使f》fo時(shí)，信號(hào)衰減的更快，一般在圖1（a）所示的一階低通濾波器的基礎(chǔ)上再增加一級(jí)RC電路就構(gòu)成二階有源低通濾波器，如圖2所示。

圖2（a） 電路圖圖1（b） 頻幅特性