今天給大家分享的是：無(wú)源模擬濾波器

在信號(hào)處理領(lǐng)域，濾波器是從波形中去除（衰減）某些頻率的元件。如下：

1、較慢的頻率1KHZ（5V幅度）

較慢的頻率1KHZ（5V幅度）

2、50kHz 頻率（1V 幅度）

50kHz 頻率（1V 幅度）

3、組合信號(hào)

組合信號(hào)

使用濾波器，我們可以獲取組合信號(hào)并再次濾除分量信號(hào)。使用濾波器的原因有很多，包括：濾除噪音，共享媒介

那么構(gòu)建無(wú)源濾波器？怎么使用無(wú)源濾波器？下面會(huì)詳細(xì)講解

一、無(wú)功組件

無(wú)功組件是根據(jù)施加到其上的頻率而表現(xiàn)不同的組件。在電子產(chǎn)品中，有2種類型的電抗元件，電容和電感，兩種組件類型都在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。

1、電容

電容通過(guò)在兩個(gè)極板之間建立電荷來(lái)存儲(chǔ)能量。當(dāng)電壓施加到電容時(shí)，電流就會(huì)流入電容，直到極板上的電壓與施加的電壓匹配。

在這個(gè)階段，能量存儲(chǔ)在兩個(gè)板上累積的電荷中，這些電荷通過(guò)它們之間的磁引力保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。一旦電容充電完畢，電流就停止流?dòng)，直到移除施加的電壓，電流再次從電容流出。

電容

可以看到，當(dāng)電壓變化時(shí)，電流流動(dòng)，當(dāng)電壓恒定時(shí)，電流停止流動(dòng)；當(dāng)沒(méi)有電壓差時(shí)，就沒(méi)有電流流動(dòng)。

對(duì)于直流來(lái)說(shuō)。電流是不可以通過(guò)電容的，因?yàn)殡娙輧蓚?cè)沒(méi)有電氣連接。但對(duì)于交流電流來(lái)說(shuō)。實(shí)際上可以流過(guò)電容，作為能量通過(guò)電容內(nèi)部的磁場(chǎng)傳輸。

從交流角度來(lái)看，電容會(huì)阻擋較低頻率，而較高頻率可以通過(guò)。

電容

對(duì)于低頻，電容看起來(lái)像開(kāi)路。對(duì)于高頻、電容看起來(lái)像短路。在這2者之間，電容看起來(lái)像一種電阻，在一定程度上對(duì)抗電流，區(qū)別在于電容不會(huì)像電阻那樣耗散能量，而是將其存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。

2、電感

電感在電感繞組周圍形成的磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。

電感

與電容相反，電感在電壓沒(méi)有變化時(shí)允許電流流過(guò)，并反對(duì)電流和電壓的變化。電容更像是彈簧，而電感更像是飛輪。當(dāng)電壓施加到電感時(shí)，最初會(huì)阻礙電流流動(dòng)，同時(shí)在其繞組周圍建立磁場(chǎng)。

一旦建立磁場(chǎng)，直流電流就會(huì)不受阻礙地流過(guò)電感。如果你阻止電流流過(guò)電感，則磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電壓來(lái)保持電流流動(dòng)。

電感

對(duì)于低頻、電感看起來(lái)像短路。對(duì)于高頻、電感看起來(lái)像開(kāi)路。在這2者之間，電感也看起來(lái)像一種電阻。

在一定程度上對(duì)抗電流，區(qū)別在于電感不會(huì)像電阻那樣耗散能量，而是將其存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。

對(duì)于電容和電感，有2個(gè)電抗元件，在交流頻率下表現(xiàn)相反，可以利用這些構(gòu)建濾波器。

二、分貝

在進(jìn)一步討論之前，重要的要確保我們熟悉分貝的測(cè)量的單位，分貝是對(duì)數(shù)單位，如下所示：

20dB是0 x 幅度和 100 x 功率，40dB也就是100 x 幅度和 10,000 x 功率，依次類推，使用分貝作為測(cè)量單位使我們能夠輕松處理從非常小到非常大的一系列值。

三、頻率響應(yīng)圖

頻率響應(yīng)圖或波特圖顯示了電路如何響應(yīng)一定頻率范圍，因此在濾波器設(shè)計(jì)和分析中非常有用。

四、電容高通濾波器

高通濾波器允許高頻率通過(guò)，同時(shí)衰減較低頻率。電容允許更高的頻率通過(guò)它們。因此我們可以使用其中之一來(lái)實(shí)現(xiàn)高通濾波器。

高通濾波器

從頻率響應(yīng)圖中，我們可以看到大約16k以上的頻率被通過(guò)（接近0dB的變化），而低于該頻率的衰減越來(lái)越多（100Hz的頻率將衰減-44dB）。

濾波器不會(huì)產(chǎn)生阻擋較低頻率的磚墻效應(yīng)，而是隨著頻率的降低而越來(lái)越衰減。我們可以通過(guò)組合濾波器來(lái)使下降更加尖銳，也稱為增加濾波器階數(shù)。

如下，低頻 1kHz 分量在電容之后幾乎完全從信號(hào)中去除（圖中的紅色跡線）。

1kHz 分量在電容之后幾乎完全從信號(hào)中去除

五、低頻濾波器

低通濾波器的作用與高通濾波器相反，允許較低頻率通過(guò)，同時(shí)衰減（阻止）較高頻率，將示例更改為低通濾波器，只需要將電容替換為電感。

低通濾波器的作用與高通濾波器相反，允許較低頻率通過(guò)

同樣，我們可以看到低于約 3k 的頻率被通過(guò)（接近 0dB 變化），而高于該頻率的頻率衰減得越來(lái)越多（100kHz 的頻率將衰減 -30dB）。再次注意，濾波器并不具有阻擋較高頻率的磚墻效應(yīng)，而是隨著頻率的升高而越來(lái)越衰減。同樣，我們可以通過(guò)組合濾波器來(lái)使下降更加尖銳，也稱為增加濾波器階數(shù)。

也可以使用電容構(gòu)建一個(gè)低通濾波器：

使用電容構(gòu)建一個(gè)低通濾波器

在這種情況下，高頻通過(guò)電容旁路到地，將其從信號(hào)中去除，此配置的頻率響應(yīng)圖如下所示：

高頻通過(guò)電容旁路到地，將其從信號(hào)中去除

六、電感高通濾波器

類似地，我們可以構(gòu)造一個(gè)帶有一個(gè)電感的高通濾波器：

電感高通濾波器

這里低頻分量通過(guò)電感旁路到地，將其從信號(hào)中移除，此配置的頻率響應(yīng)圖如下所示：

電感高通濾波器

七、截止頻率

截止頻率定義為頻率響應(yīng)圖上的 -3dB 點(diǎn)，在該點(diǎn)信號(hào)已衰減至其原始功率的 50%（大約為其原始電壓的 70.8%）。這也是衰減斜率和通過(guò)斜率（電平）的線在圖表上相交的點(diǎn)。

截止頻率定

同樣，很明顯這部是一個(gè)截止點(diǎn)，但是必須選擇某個(gè)點(diǎn)來(lái)描述濾波器特性，并且截止頻率是用于該點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)。

對(duì)于電容濾波器，頻率公式為：

C=1/ 2πRC

對(duì)于電感濾波器，頻率公式為：

C= R / 2πL

在電容濾波器中，有一個(gè)10k 電阻和一個(gè) 1nF 電容，頻率為：

C= 1/2π(10x103)(1x10-9) = 15.9kHz

在電感濾波器中，有一個(gè)10k 電阻和一個(gè) 1nF 電容，頻率為：

C=(10x103)/2π(0.1) = 15.9kHz

這2種情況都與上面在頻率響應(yīng)圖上看到的相符。

八、高階濾波器

在上面的濾波器中都由有一個(gè)電抗元件。頻率響應(yīng)圖在停止區(qū)域的斜率約為20dB/對(duì)數(shù)十倍頻程。

通過(guò)使用更多的電抗元件和/或?yàn)V波器，我們可以將每個(gè)電抗元件的斜率增加大約 20dB，也就是增加濾波器的階數(shù)。

例如，下面是一個(gè)斜率約為 40db/decade 的二階濾波器（2 個(gè)電抗元件）。

40db/decade 的二階濾波器

但注意，過(guò)多增加濾波器階數(shù)也存在缺點(diǎn)，例如即使在通帶中信號(hào)的總衰減和信號(hào)傳播的延遲，以及增加的成本和電路復(fù)雜性。

九、帶通和帶阻濾波器

最后，通過(guò)將高通濾波器和低通濾波器與適當(dāng)?shù)慕刂诡l率相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建帶通或者帶阻濾波器。

帶通或者帶阻濾波器。

以上就是關(guān)于無(wú)源模擬濾波器的內(nèi)容。