滤波器入门：从基础概念到设计实践

滤波器入门：从基础概念到设计实践

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/yybyybds/article/details/139867775

滤波器是电子工程中一种重要的信号处理元件，用于选择性地让特定频率范围内的信号通过，同时抑制其他频率的信号。本文将从滤波器的分类、性能指标、频率响应等方面，为大家介绍滤波器的基础知识，并分享一些实用的设计技巧。

滤波器分类

滤波器主要分为两大类：数字滤波器和模拟滤波器。

• 数字滤波器：通过软件算法实现，性能优于模拟滤波器。
• 模拟滤波器：虽然性能不如数字滤波器，但价格便宜，常用于滤除低级噪声和高频噪声。

模拟滤波器根据其功能可以进一步分为以下几种类型：

• 低通滤波器：允许低频信号通过，滤除高频信号
• 高通滤波器：允许高频信号通过，滤除低频信号
• 带通滤波器：允许某段特定频率通过
• 带阻滤波器：滤除某段特定频率
• 全通滤波器：将输入输出的信号进行相位的变化

根据是否需要电源，模拟滤波器还可以分为：

• 无源滤波器：成本更低，但受负载阻抗影响
• 有源滤波器：不受负载阻抗影响，可以串联多级RC电路，还可以对过滤的波形进行放大

性能指标

滤波器的主要性能指标包括：

• 截止频率：超过该频率的信号将大幅衰减
• 中心频率和带宽：带通滤波器中可以通过的频率范围
• 插入损耗：信号通过滤波器时的功率损失
• 群时延：信号包络的传播时间延迟

频率响应

理想的滤波器在输入信号频率超过截止频率时，对应的电压信号会直接归零。但实际上，这一过程是缓慢的，随着频率的增加，信号衰减会越来越大。

数字滤波器可以接近实现理想的频率响应，而模拟滤波器则需要通过串联多级RC电路来使信号衰减的斜率变得更加陡峭。

分贝概念

分贝（dB）是表示信号放大或衰减倍数的常用单位。其中，-3dB点对应于信号功率降至50%以下的点，对于电压来说是0.707倍。

设计滤波器时，通常需要在截止频率处预留一定的余量，以确保足够的信号衰减。

截止频率计算公式

设计滤波器时需要考虑电阻和电容的取值：

• 电阻过小会导致输入阻抗小、功耗大等问题
• 电阻过大则会导致输出阻抗大、偏置电流噪声大等问题
• 电容过小容易受到杂散电容的影响
• 电容过大则需要使用铝电容，但铝电容的高频特性较差

一般建议电阻选值在百千欧姆级，电容选择纳法级。

实用设计建议

• 电容位置：如果电容放在电阻前面，由于电源内阻的影响，可能会形成额外的RC滤波器，导致截止频率变高。
• 双向滤波：在一些通信场景中，可能需要使用可以进行双向滤波的电路。

仿真示例

这是一个同相比例放大电路，放大倍数是2，正输入端是一个截止频率为10kHz的低通有源滤波电路。仿真结果显示：

• 输入频率为10kHz时，输出峰峰值为1.4V（-3dB衰减）
• 输入频率为2kHz时，输出约为2V（增益为2）
• 输入频率为15kHz时，输出大幅衰减

总的来说，设计有源滤波器就是在基础运放的输入端加上RC滤波电路。这只是入门级的内容，后续将介绍更复杂的高阶滤波器等进阶知识。

实用工具推荐

• 滤波器设计工具 | 滤波器设计向导 | Analog Devices
• Filter Design Tool (ti.com)