濾波電路基本概念

　　濾波的概念就是根據傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。電信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做濾波電路。根據高等數學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經典濾波器或濾波電路。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，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。

　　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或阻止某種頻率的電流通過。

　　濾波電路作用是盡可能減小脈動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，需要利用具有儲能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。

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

最簡單的濾波電路圖（一）

簡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，其幅頻特性見圖13.05，圖中虛線為理想的情況，實線為實際的情況。特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。

最簡單的濾波電路圖（二）

簡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RC低通濾波環節，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。其中的一個電容器C1原來是接地的，現在改接到輸出端。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

（3）頻率響應

由傳遞函數可以寫出頻率響應的表達式

以上兩式表明，當2《Avp《3時，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，具體請參閱圖9。當Avp≥3時，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加了一點正反饋，所以在高頻端的放大倍數有所抬高，甚至可能引起自激。

最簡單的濾波電路圖（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RC低通電路而構成。二階反相型LPF的改進電路如圖11所示。

最簡單的濾波電路圖（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。

結論：當f《f0時，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec；當Avp≥3時，電路自激。

最簡單的濾波電路圖（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環節和高通RC環節組合而成的。要將高通的下限截止頻率設置為小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。

最簡單的濾波電路圖（七）

一階低通Butterworth濾波電路

下圖a和b是用運算放大器設計的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實際上就是一個積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。

最簡單的濾波電路圖（八）

一階有源低通濾波器升級二階有源低通濾波器

為改善濾波效果，使f》fo時，信號衰減的更快，一般在圖1（a）所示的一階低通濾波器的基礎上再增加一級RC電路就構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