无源低通滤波器原理与设计
无源低通滤波器原理与设计
无源低通滤波器是一种常见的电子电路，主要用于过滤掉高频信号，只允许低频信号通过。这种滤波器在各种电子设备中都有广泛的应用，如音频设备、通信系统等。本文将详细介绍无源低通滤波器的基本原理、电路结构和设计方法。
无源低通滤波器
低通滤波器是一种电路，可设计用于修改、重塑或拒绝电信号中所有不需要的高频，并仅接受或通过电路设计者想要的那些信号。
1、概述
无源 RC 滤波器在分离时“滤除”不需要的信号，并仅允许基于频率的正弦输入信号通过，最简单的是无源低通滤波器网络。
在低频应用（高达 100kHz）中，无源滤波器通常使用简单的 RC（电阻-电容）网络构建，而高频滤波器（100kHz 以上）通常由 RLC（电阻-电感-电容）组件构成。
无源滤波器由电阻、电容、电感等无源元件组成，没有放大元件（晶体管、运算放大器等），因此没有信号增益，因此其输出电平总是小于输入电平。
滤波器根据允许通过的信号频率范围来命名，同时阻止或“衰减”其余信号。 最常用的滤波器设计是：
- 低通滤波器 – 低通滤波器仅允许从 0Hz 到其截止频率 ƒc 点的低频信号通过，同时阻止更高频率的信号。
- 高通滤波器 – 高通滤波器仅允许从其截止频率、fc 点及更高到无穷大的高频信号通过，同时阻止任何更低的频率。
- 带通滤波器 – 带通滤波器允许落在两点之间的特定频带设置内的信号通过，同时阻止该频带两侧的较低和较高频率。
简单的一阶无源滤波器（一阶）可以通过将输入信号 (V I N V_{IN}VIN ) 与滤波器的输出 (V O U T V_{OUT}VOUT ) 串联连接在一起来制作，输出信号 (V O U T V_{OUT}VOUT ) 取自这两个信号的连接点 成分。
根据我们针对输出信号连接电阻器和电容器的方式，决定了滤波器结构的类型，从而产生低通滤波器或高通滤波器。
由于任何滤波器的功能都是允许给定频带的信号不改变地通过，同时衰减或削弱所有其他不需要的信号，因此我们可以通过使用理想滤波器的频率响应曲线来定义理想滤波器的幅度响应特性。 四种基本过滤器类型，如下图所示：
理想滤波器响应曲线
滤波器可分为两种不同的类型：有源滤波器和无源滤波器。 有源滤波器包含放大装置以增加信号强度，而无源滤波器则不包含放大装置以增强信号。 由于无源滤波器设计中有两个无源组件，因此输出信号的幅度小于相应的输入信号，因此无源 RC 滤波器会衰减信号并具有小于 1（单位）的增益。
低通滤波器可以是电容、电感或电阻的组合，旨在在指定频率以上产生高衰减，在该频率以下产生很少或没有衰减。 发生转变的频率称为“截止”或“转角”频率。
最简单的低通滤波器由电阻器和电容器组成，但更复杂的低通滤波器由串联电感器和并联电容器组合而成。 在本文中，我们将研究最简单的类型，即无源两元件 RC 低通滤波器。
2、低通滤波器
通过将单个电阻器与单个电容器串联在一起，可以轻松制作一个简单的无源 RC 低通滤波器或 LPF，如下所示。 在这种类型的滤波器布置中，输入信号 (V I N V_{IN}VIN ) 应用于串联组合（电阻器和电容器一起），但输出信号 (V O U T V_{OUT}VOUT ) 仅通过电容器获取。
这种类型的滤波器通常被称为“一阶滤波器”或“单极滤波器”，为什么是一阶或单极？因为它在电路中只有“一个”无功元件，即电容器。
RC低通滤波器电路
正如前面的容抗教程中提到的，电容器的电抗与频率成反比变化，而电阻器的值随着频率的变化而保持恒定。 在低频下，电容器的容抗 (X C X_CXC ) 与电阻器 R 的电阻值相比将非常大。
这意味着电容器两端的电势V C V_CVC 将远大于电阻器两端产生的电压降V R V_RVR 。 在高频时，情况正好相反，由于容抗值的变化，