【模电】0006 有源滤波器1(一阶有源滤波器)

有源滤波器指的是由运放及一些无源器件R、L、C等组成的滤波器器。

滤波器一般分为低通、高通、带通、带阻等几种基本模式;另外还有全通滤波器,只改变信号的相位。滤波器最重要的特性是幅频响应,即幅度倍数在频率坐标轴上表现出的图形。

本篇我们先来看一阶有源滤波电路。

1)一阶有源低通滤波器

仿真电路图如下:左边为电路图,右边为波特图(频率响应)

图中,R1和C1构成了无源的RC低通滤波器,运放只起到跟随或放大的作用。

通过选择R2和R3的值可以将输出信号放大,这里仿真时将R2设为0只是为了不放大,便于观察波特图。

RC低通滤波器的计算过程如下:

V_{o} \left ( s \right )= \frac{\frac{1}{sC}}{R+\frac{1}{sC}}V_{i} \left ( s \right )

变换后得到:

V_{o} \left ( s \right )= \frac{1}{1+sRC}V_{i} \left ( s \right )

所以,其传递函数为:

H\left ( s \right )= \frac{V_{o}\left ( s \right )}{V_{i}\left ( s \right )} = \frac{1}{1+sRC}

其中s即为jω角频率,不难发现,频率越高时,H(s)值越小,即电路阻碍高频信号通过。

令H(s)=1/2,(即-3dB倍数),则可以计算出 s = jω = 1/(RC),即为该RC电路的截止频率。

图中的参数可以算出截止频率为:ω = 1/(1k*10uF)= 100,注意这里的ω为角频率,换算为频率应为 ω/2π ≈ 15.9Hz。

这与图中仿真的到的-3dB点,约16Hz是相符的。

2)一阶有源高通滤波器

电路图如下:左边为电路图,右边为波特图(频率响应)

 图中,R1和C1构成了无源的RC高通滤波器,运放只起到跟随或放大的作用。

RC高通滤波器和RC低通滤波器的构成只需将R和C的位置互换。

RC高通滤波器的计算过程如下:

V_{o} \left ( s \right )= \frac{R}{R+\frac{1}{sC}}V_{i} \left ( s \right )

不难得出其传递函数为:

 H\left ( s \right )= \frac{V_{o}\left ( s \right )}{V_{i}\left ( s \right )} = \frac{1}{1+\frac{1}{sRC}}

其中s即为jω角频率,不难发现,频率越低时,H(s)值越小,即电路阻碍低频信号通过。

令H(s)=1/2,可计算出 ω = 1/(1k*10uF)= 100,即 ω/2π ≈ 15.9Hz时为高通滤波器的截止频率。

3)有源滤波器的特点

这一节分析了简单的一阶有源滤波器,虽然,它们一般只是由无源器件R、C在起作用,运放只是跟随或者放大信号,但是它具有不少优点。

由于运放的接入,运放的输入阻抗极高,使得RC滤波电路的输出端不会受到负载的影响(等同于RC电路后端不接负载的情况);另外运放的可以起到信号放大,增强驱动能力的作用。

但是由于运放的带宽有限,会使得有源滤波器的有效带宽范围只能在运放的带宽范围内,不能做到极高的频段。

好了,本节就到这里了,下一节继续讲二阶的有源滤波器。

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