无源滤波器设计工作原理及步骤

在信号处理领域，滤波器是从波形中去除（衰减）某些频率的元件。如下：

1、较慢的频率1KHZ（5V幅度）

较慢的频率1KHZ（5V幅度）

2、50kHz 频率（1V 幅度）

50kHz 频率（1V 幅度）

3、组合信号

组合信号

使用滤波器，我们可以获取组合信号并再次滤除分量信号。使用滤波器的原因有很多，包括：滤除噪音，共享媒介

那么构建无源滤波器？怎么使用无源滤波器？下面会详细讲解

一、无功组件

无功组件是根据施加到其上的频率而表现不同的组件。在电子产品中，有2种类型的电抗元件，电容和电感，两种组件类型都在磁场中存储能量。

1、电容

电容通过在两个极板之间建立电荷来存储能量。当电压施加到电容时，电流就会流入电容，直到极板上的电压与施加的电压匹配。

在这个阶段，能量存储在两个板上累积的电荷中，这些电荷通过它们之间的磁引力保持在适当的位置。一旦电容充电完毕，电流就停止流动，直到移除施加的电压，电流再次从电容流出。

电容

可以看到，当电压变化时，电流流动，当电压恒定时，电流停止流动；当没有电压差时，就没有电流流动。

对于直流来说。电流是不可以通过电容的，因为电容两侧没有电气连接。但对于交流电流来说。实际上可以流过电容，作为能量通过电容内部的磁场传输。

从交流角度来看，电容会阻挡较低频率，而较高频率可以通过。

电容

对于低频，电容看起来像开路。对于高频、电容看起来像短路。在这2者之间，电容看起来像一种电阻，在一定程度上对抗电流，区别在于电容不会像电阻那样耗散能量，而是将其存储在磁场中。

2、电感

电感在电感绕组周围形成的磁场中存储能量。

与电容相反，电感在电压没有变化时允许电流流过，并反对电流和电压的变化。电容更像是弹簧，而电感更像是飞轮。当电压施加到电感时，最初会阻碍电流流动，同时在其绕组周围建立磁场。

一旦建立磁场，直流电流就会不受阻碍地流过电感。如果你阻止电流流过电感，则磁场会产生电压来保持电流流动。

电感

对于低频、电感看起来像短路。对于高频、电感看起来像开路。在这2者之间，电感也看起来像一种电阻。

在一定程度上对抗电流，区别在于电感不会像电阻那样耗散能量，而是将其存储在磁场中。

对于电容和电感，有2个电抗元件，在交流频率下表现相反，可以利用这些构建滤波器。

二、分贝

在进一步讨论之前，重要的要确保我们熟悉分贝的测量的单位，分贝是对数单位，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，依次类推，使用分贝作为测量单位使我们能够轻松处理从非常小到非常大的一系列值。

三、频率响应图

频率响应图或波特图显示了电路如何响应一定频率范围，因此在滤波器设计和分析中非常有用。

四、电容高通滤波器

高通滤波器允许高频率通过，同时衰减较低频率。电容允许更高的频率通过它们。因此我们可以使用其中之一来实现高通滤波器。

高通滤波器

从频率响应图中，我们可以看到大约16k以上的频率被通过（接近0dB的变化），而低于该频率的衰减越来越多（100Hz的频率将衰减-44dB）。

滤波器不会产生阻挡较低频率的砖墙效应，而是随着频率的降低而越来越衰减。我们可以通过组合滤波器来使下降更加尖锐，也称为增加滤波器阶数。

如下，低频 1kHz 分量在电容之后几乎完全从信号中去除（图中的红色迹线）。

1kHz 分量在电容之后几乎完全从信号中去除

五、低频滤波器

低通滤波器的作用与高通滤波器相反，允许较低频率通过，同时衰减（阻止）较高频率，将示例更改为低通滤波器，只需要将电容替换为电感。

低通滤波器的作用与高通滤波器相反，允许较低频率通过

同样，我们可以看到低于约 3k 的频率被通过（接近 0dB 变化），而高于该频率的频率衰减得越来越多（100kHz 的频率将衰减 -30dB）。再次注意，滤波器并不具有阻挡较高频率的砖墙效应，而是随着频率的升高而越来越衰减。同样，我们可以通过组合滤波器来使下降更加尖锐，也称为增加滤波器阶数。

也可以使用电容构建一个低通滤波器：

使用电容构建一个低通滤波器

在这种情况下，高频通过电容旁路到地，将其从信号中去除，此配置的频率响应图如下所示：

高频通过电容旁路到地，将其从信号中去除

六、电感高通滤波器

类似地，我们可以构造一个带有一个电感的高通滤波器：

电感高通滤波器

这里低频分量通过电感旁路到地，将其从信号中移除，此配置的频率响应图如下所示：

电感高通滤波器

七、截止频率

截止频率定义为频率响应图上的 -3dB 点，在该点信号已衰减至其原始功率的 50%（大约为其原始电压的 70.8%）。这也是衰减斜率和通过斜率（电平）的线在图表上相交的点。

截止频率定

同样，很明显这部是一个截止点，但是必须选择某个点来描述滤波器特性，并且截止频率是用于该点的术语。

对于电容滤波器，频率公式为：

C=1/ 2πRC

对于电感滤波器，频率公式为：

C= R / 2πL

在电容滤波器中，有一个10k 电阻和一个 1nF 电容，频率为：

C= 1/2π(10x10³)(1x10-9) = 15.9kHz

在电感滤波器中，有一个10k 电阻和一个 1nF 电容，频率为：

C=(10x10³)/2π(0.1) = 15.9kHz

这2种情况都与上面在频率响应图上看到的相符。

八、高阶滤波器

在上面的滤波器中都由有一个电抗元件。频率响应图在停止区域的斜率约为20dB/对数十倍频程。

通过使用更多的电抗元件和/或滤波器，我们可以将每个电抗元件的斜率增加大约 20dB，也就是增加滤波器的阶数。

例如，下面是一个斜率约为 40db/decade 的二阶滤波器（2 个电抗元件）。

40db/decade 的二阶滤波器

但注意，过多增加滤波器阶数也存在缺点，例如即使在通带中信号的总衰减和信号传播的延迟，以及增加的成本和电路复杂性。

九、带通和带阻滤波器

最后，通过将高通滤波器和低通滤波器与适当的截止频率相结合来创建带通或者带阻滤波器。

带通或者带阻滤波器。

以上就是关于无源模拟滤波器的内容。

审核编辑：黄飞