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4.2 选频滤波电路

选频滤波电路简称滤波电路,其功能是从众多的信号中选出需要的信号。根据电路工作时是否需要电源,滤波电路分为无源滤波电路和有源滤波电路;根据电路选取信号的特点,由两种滤波电路组成的滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF)。

4.2.1 低通滤波器

低通滤波器(LPF)的功能是选取低频信号、 低通滤波器意为“低频信号可以通过的电路”。下面以图4-5为例来说明低通滤波器的性质。

图4-5 低通滤波器的性质说明图

当低通滤波器输入0~ f 1 频率范围的信号时,经滤波器后输出0~ f 0 频率范围的信号。也就是说,只有 f 0 频率以下的信号才能通过滤波器。这里的 f 0 频率称为截止频率,又称转折频率, 低通滤波器只能通过频率低于截止频率 f 0 的信号。

图4-6所示为几种常见的低通滤波器电路。

图4-6 几种常见的低通滤波器电路

图4-6a所示为 RC 低通滤波器电路,当电路输入各种频率的信号时,因为电容 C 对高频信号阻碍小(根据 X C =1/2π fc ),高频信号经电容 C 旁路到地,电容 C 对低频信号阻碍大,低频信号不会旁路,而是输出去往后级电路。

如果单级 RC 低通滤波电路的滤波效果达不到要求,可采用图4-6b所示的多级 RC 滤波电路,这种滤波电路能更彻底地滤掉高频信号,使选出的低频信号更纯净。

图4-6c所示为 RL 低通滤波器电路,当电路输入各种频率的信号时,因为电感对高频信号阻碍大(根据 X L =2π fL ),高频信号很难通过电感 L ,而电感对低频信号阻碍小,低频信号很容易通过电感去往后级电路。

4.2.2 高通滤波器

高通滤波器(HPF)的功能是选取高频信号。 下面以图4-7为例来说明高通滤波器的性质。

图4-7 高通滤波器的性质说明图

当高通滤波器输入0~ f 1 频率范围的信号时,经滤波器后输出 f 0 f 1 频率范围的信号。也就是说,只有 f 0 频率以上的信号才能通过滤波器。 高通滤波器能通过频率高于截止频率 f 0 的信号。

图4-8所示为几种常见的高通滤波器电路。

图4-8a所示为 RC 高通滤波器电路,当电路输入各种频率的信号时,因为电容 C 对高频信号阻碍小,对低频信号阻碍大,故低频信号难于通过电容 C ,高频信号很容易通过电容去往后级电路。

图4-8b所示为 RL 高通滤波器电路,当电路输入各种频率的信号时,因为电感对高频信号阻碍大,而对低频信号阻碍小,故低频信号很容易通过电感 L 旁路到地,高频信号不容易被电感旁路而只能去往后级电路。

图4-8 几种常见的高通滤波器电路

图4-8c所示为一种滤波效果更好的高通滤波器电路,电容 C 1 C 2 对高频信号阻碍小、对低频信号阻碍大,低频信号难于通过,高频信号很容易通过;另外,电感 L 对高频信号阻碍大、对低频信号阻碍小,低频信号很容易被旁路,高频信号则不容易被旁路。这种滤波器的电容 C 1 C 2 对低频信号有较大的阻碍,再加上电感对低频信号的旁路作用,低频信号很难通过该滤波器,从而使低频信号分离得较彻底。

4.2.3 带通滤波器

带通滤波器(BPF)的功能是选取某一段频率范围内的信号。 下面以图4-9为例来说明带通滤波器的性质。

图4-9 带通滤波器的性质说明图

当带通滤波器输入0~ f 1 频率范围的信号时,经滤波器后输出 f L f H 频率范围的信号,这里的 f L 称为下限截止频率, f H 称为上限截止频率。 带通滤波器能通过频率在下限截止频率 f L 和上限截止频率 f H 之间的信号(含 f L f H 信号),如果 f L = f H = f 0 ,那么这种带通滤波器就可以选择单一频率的 f 0 信号。

图4-10所示为几种常见的带通滤波器电路。

图4-10a所示为一种由 RC 元件构成的带通滤波器电路,其中 R 1 C 1 构成低通滤波器,它的截止频率为 f H ,可以通过 f H 频率以下的信号, C 2 R 2 构成高通滤波器电路,它的截止频率为 f L ,可以通过 f L 频率以上的信号,结果只有 f L f H 频率范围的信号通过整个滤波器。

图4-10b所示为一种由 LC 串联谐振电路构成的带通滤波器电路, L 1 C 1 的谐振频率为 f 0 ,它对频率为 f 0 的信号阻碍小,对其他频率的信号阻碍很大,故只有频率为 f 0 的信号可以通过,该电路可以选取单一频率的信号,如果想让 f 0 附近频率的信号也能通过,就要降低谐振电路的 Q 值( Q = fL / R L 为电感的电感量, R 为电感线圈的直流电阻), Q 值越低, LC 电路的通频带越宽,能通过 f 0 附近更多频率的信号。

图4-10 几种常见的带通滤波器电路

图4-10c所示为一种由 LC 并联谐振电路构成的带通滤波器电路, L 1 C 1 的谐振频率为 f 0 ,它对频率为 f 0 的信号阻碍很大,对其他频率的信号阻碍小,故其他频率信号被旁路,只有频率为 f 0 的信号不会被旁路,而去往后级电路。

4.2.4 带阻滤波器

带阻滤波器(BEF)的功能是选取某一段频率范围以外的信号。带阻滤波器又称陷波器,它的功能与带通滤波器恰好相反。 下面以图4-11为例来说明带阻滤波器的性质。

图4-11 带阻滤波器的性质说明图

当带阻滤波器输入0~ f 1 频率范围的信号时,经滤波器滤波后输出0~ f L f H f 1 频率范围的信号,而 f L f H 频率范围内的信号不能通过。 带阻滤波器能通过频率在下限截止频率 f L 以下的信号和上限截止频率 f H 以上的信号(不含 f L f H 信号),如果 f L = f H = f 0 ,那么带阻滤波器就可以选择 f 0 以外的所有信号。

图4-12所示为几种常见的带阻滤波器电路。

图4-12 几种常见的带阻滤波器电路

图4-12a所示为一种由 RC 元件构成的带阻滤波器电路,其中 R 1 C 1 构成低通滤波器,它的截止频率为 f L ,可以通过 f L 频率以下的信号, C 2 R 2 构成高通滤波器电路,它的截止频率为 f H ,可以通过 f H 频率以上的信号,结果只有频率在 f L 以下和 f H 以上范围的信号可以通过滤波器。

图4-12b所示为一种由 LC 并联谐振电路构成的带阻滤波器电路, L 1 C 1 的谐振频率为 f 0 ,它对频率为 f 0 的信号阻碍很大,而对其他频率的信号阻碍小,故只有频率为 f 0 的信号不能通过,其他频率的信号都能通过。该电路可以阻止单一频率的信号,如果想让 f 0 附近频率的信号也不能通过,可以降低谐振电路的 Q 值( Q =2π fL / R ), Q 值越低, LC 电路的通频带越宽,可以阻止 f 0 附近更多频率的信号通过。

图4-12c所示为一种由 LC 串联谐振电路构成的带阻滤波器电路, L 1 C 1 的谐振频率为 f 0 ,它仅对频率为 f 0 的信号阻碍很小,故只有频率为 f 0 的信号被旁路到地,其他频率信号不会被旁路,而是去往后级电路。

4.2.5 有源滤波器

无源滤波器一般由 LC RC 元件构成,无信号放大功能,有源滤波器一般由有源器件(运算放大器)和 RC 元件构成, 它的优点是不采用大电感和大电容,故体积小、质量小,并且对选取的信号有放大功能;其缺点是因为运算放大器的频率带宽不够理想,所以 有源滤波器常用在几千赫频率以下的电路中,高频电路中采用 LC 无源滤波电路效果更好。

1.一阶低通滤波器

一阶低通滤波器电路如图4-13所示。

图4-13 一阶低通滤波器电路

在图4-13a中, R 1 C 1 构成低通滤波器电路,它选出低频信号后,再送到运算放大器放大,运算放大器与 R 2 R 3 构成同相放大电路。该滤波器的截止频率 f 0 =1/2π RC ,即该电路只让频率在 f 0 以下的低频信号通过。

在图4-13b中, R 2 C 1 构成负反馈电路,因为电容 C 1 对高频信号阻碍很小,所以从输出端经 C 1 反馈到输入端的高频信号很多,由于是负反馈,反馈信号将输入的高频信号抵消,而 C 1 对低频信号阻碍大,负反馈到输入端的低频信号很少,低频信号抵消少,大部分低频信号送到运算放大器的输入端,并经放大后输出。该滤波器的截止频率 f 0 =1/2π RC

2.一阶高通滤波器

一阶高通滤波器电路如图4-14所示。

R 1 C 1 构成高通滤波器电路,高频信号很容易通过电容 C 1 并送到运算放大器的输入端,运算放大器与 R 2 R 3 构成同相放大电路。该滤波器的截止频率 f 0 =1/2π RC

图4-14 一阶高通滤波器电路

3.二阶带通滤波器

二阶带通滤波器电路如图4-15所示。

R 1 C 1 构成低通滤波器电路,它可以通过 f 0 频率以下的低频信号(含 f 0 频率的信号); C 2 R 2 构成高通滤波器电路,可以通过 f 0 频率以上的高频信号(含 f 0 频率的信号),结果只有 f 0 频率信号送到运算放大器放大而输出。

该滤波器的截止频率 f 0 =1/2π RC ,带通滤波器的 Q 值越小,滤波器的通频带越宽,可以通过 f 0 附近更多频率的信号。带通滤波器的品质因数 Q =1/(3 -A u ),这里的 A u =1+ R 5 / R 4

4.二阶带阻滤波器

二阶带阻滤波器电路如图4-16所示。

图4-15 二阶带通滤波器电路

图4-16 二阶带阻滤波器电路

R 1 C 1 R 2 构成低通滤波器电路,它可以通过 f 0 频率以下的低频信号(不含 f 0 频率的信号); C 2 C 3 R 3 构成高通滤波器电路,可以通过 f 0 频率以上的高频信号(不含 f 0 频率的信号),结果只有 f 0 频率信号无法送到运算放大器的输入端。

该滤波器的截止频率 f 0 =1/2π RC ,带阻滤波器的 Q 值越小,滤波器的阻带越宽,可以阻止 f 0 附近更多频率的信号通过。带阻滤波器的品质因数 Q =1/2(2 -A u ),这里的 A u =1+ R 5 / R 4 45byRYxVbi82e8W8uI2wSNaRkNOdbQxFm/iuAUk5/YwIQbPWk5caKISHsGVBkfUB

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