想象一下，作為一名音頻工程師，剛剛錄制了整個(gè)職業(yè)生涯中最好的聲音之一，但錄音中有大量不需要的高頻噪音，而且似乎無(wú)法消除，或者是一名電氣工程師，對(duì)這些噪音感到困惑。最新整流器直流輸出中的高頻失真。盡管存在差異，這兩種情況都需要相同的解決方案，即過(guò)濾器。濾波器是一種電路，會(huì)影響通過(guò)其輸入饋送的電信號(hào)的交流內(nèi)容。就音頻工程師而言，他會(huì)使用濾波器來(lái)消除錄音中的高頻噪聲，而電氣工程師會(huì)使用不同的濾波器來(lái)衰減（減少）輸出電壓中的失真。為了能夠確定要使用的過(guò)濾器類(lèi)型，

感謝法國(guó)數(shù)學(xué)家約瑟夫·傅里葉的工作，現(xiàn)在我們知道任何周期信號(hào)都可以表示為正弦波和余弦波的組合，可以通過(guò)分析信號(hào)來(lái)確定其性質(zhì)。這意味著任何給定的周期信號(hào)都可以被證明由某些頻率的正弦波和余弦波組成，并且可以影響這些單獨(dú)的頻率以改變整個(gè)信號(hào)的特性。因此，濾波器可以通過(guò)它們對(duì)信號(hào)不同頻率分量的影響來(lái)表征。最常見(jiàn)的類(lèi)型是低通、高通、帶通和帶阻（或陷波）濾波器。

低通濾波器

顧名思義，低通濾波器允許低于某一頻率的頻率通過(guò)衰減。該點(diǎn)稱(chēng)為濾波器的截止頻率。信號(hào)中高于截止頻率的任何頻率分量都會(huì)被衰減到某個(gè)值，該值由濾波器的構(gòu)造方式?jīng)Q定。這種濾波器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是衰減音頻波高頻分量的硬墻。這正是任何音頻的低頻音符在相鄰房間中更清晰的原因。

上圖中，通帶是指未衰減的頻段，而阻帶是指被衰減的頻段。頻率響應(yīng)曲線用于表示濾波器的響應(yīng)。

高通濾波器

高通濾波器允許高頻分量通過(guò)，同時(shí)衰減低頻分量。

帶通濾波器

帶通濾波器允許一段頻率通過(guò)，同時(shí)衰減其余信號(hào)。可以將其想象為高通和低通濾波器的組合，其中低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率。

帶阻濾波器

帶阻濾波器與帶通濾波器相反，帶通濾波器允許范圍之外的頻率通過(guò)，同時(shí)衰減該范圍內(nèi)的頻率。與帶通濾波器一樣，它也可以想象為低通濾波器和高通濾波器的組合，低通濾波器的截止頻率低于高通濾波器的截止頻率。

周期信號(hào)有兩個(gè)方面，即增益和相位。增益是指信號(hào)的幅度，以 dB（或分貝）為單位測(cè)量。另一方面，相位與信號(hào)相對(duì)于其原始波形的時(shí)間延遲有關(guān)。這可以通過(guò)圖表更好地解釋。

盡管用于描述濾波器的語(yǔ)言表明它們僅衰減/增強(qiáng)信號(hào)的增益，但它們也會(huì)影響信號(hào)中各個(gè)頻率分量的相位。例如，低通濾波器不僅衰減高于其截止頻率的頻率，而且還反轉(zhuǎn)它們的相位。這就是濾波器具有增益和相位響應(yīng)圖的原因。這些圖顯示了輸入信號(hào)頻率與由于應(yīng)用濾波器而導(dǎo)致的增益和相位變化之間的關(guān)系。

有源和無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器

所有濾波器中最簡(jiǎn)單的是僅使用電阻器、電容器和電感器構(gòu)建的濾波器。此類(lèi)濾波器稱(chēng)為無(wú)源濾波器，因?yàn)樗鼈兪怯蔁o(wú)源元件構(gòu)成的。在電子產(chǎn)品中，無(wú)源元件是指那些自身不產(chǎn)生能量的元件。它們只能耗散能量（在電阻器的情況下）或存儲(chǔ)能量（在電感器和電容器的情況下）。此外，它們的輸出不能使用電源來(lái)改變。例如，以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器的構(gòu)造：

只需更改輸出連接即可實(shí)現(xiàn)低通濾波器，如下所示：

以下是使用 RC 網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單帶通濾波器：

請(qǐng)注意它是如何通過(guò)級(jí)聯(lián)高通和低通濾波器構(gòu)建的：

可以使用 RL 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相同的濾波器電路。例如，RL 低通濾波器：

RC 網(wǎng)絡(luò)是濾波器的首選結(jié)構(gòu)，因?yàn)闉V波器可以在更小的占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)。即使容量很小，電感器的尺寸也很大，并且會(huì)增加系統(tǒng)損耗，同時(shí)也更昂貴。

盡管無(wú)源濾波器實(shí)施起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它也有一些缺點(diǎn)。例如，無(wú)源濾波器的通帶增益不為零。這意味著信號(hào)在通過(guò)無(wú)源濾波器后強(qiáng)度會(huì)降低。此外，當(dāng)我們級(jí)聯(lián)無(wú)源濾波器來(lái)增加斜率時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致幅度進(jìn)一步損失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“級(jí)間負(fù)載”。此外，連接到濾波器的負(fù)載可以改變其截止頻率。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了有源濾波器的發(fā)展。

有源濾波器

有源濾波器之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈兪鞘褂糜性丛驗(yàn)殡娐诽砑幽芰康脑?gòu)建的。有源元件的例子包括放大器、晶體管、振蕩器等。在濾波器中，最常用的有源元件是運(yùn)算放大器或簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放。濾波器電路中使用放大器來(lái)克服無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。

下圖所示為有源低通濾波器：

有源濾波器的通帶增益為 0dB，這意味著它們不會(huì)衰減通帶中的信號(hào)。它們具有高輸入和低輸出阻抗，這對(duì)應(yīng)于兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是負(fù)載阻抗不會(huì)影響濾波器的性能，二是級(jí)聯(lián)多個(gè)濾波器不會(huì)導(dǎo)致增益下降，或者減輕級(jí)間負(fù)載。這些特性使它們非常適合級(jí)聯(lián)。由于它們是有源器件，因此可以將它們配置為增強(qiáng)通帶中的信號(hào)。

有源濾波器和無(wú)源濾波器的區(qū)別

• 如上所述，有源濾波器和無(wú)源濾波器之間的主要區(qū)別在于，無(wú)源濾波器是由電阻器、電容器和電感器等無(wú)源元件構(gòu)成的，而有源濾波器是由放大器等有源元件以及無(wú)源元件構(gòu)成的。
• 有源濾波器需要電源才能運(yùn)行，而無(wú)源濾波器則不需要。
• 無(wú)源濾波器的輸出隨負(fù)載而變化，而有源濾波器無(wú)論連接的負(fù)載如何都保持其性能。
• 無(wú)源濾波器不能對(duì)信號(hào)應(yīng)用額外的增益，而有源濾波器可以。即使不應(yīng)用增益，有源濾波器也會(huì)保持信號(hào)幅度，而無(wú)源濾波器則會(huì)衰減整個(gè)信號(hào)。

要點(diǎn)

• 濾波器是一種衰減某些頻率的電路。
• 高通濾波器衰減低于截止頻率的頻率。
• 低通濾波器衰減高于截止頻率的頻率。
• 帶通濾波器衰減兩個(gè)截止頻率之外的頻率。
• 帶阻濾波器衰減兩個(gè)截止頻率之間的頻率。
• 無(wú)源濾波器是使用電阻器、電容器和電感器等無(wú)源元件構(gòu)建的濾波器。
• 有源濾波器是使用放大器等有源元件以及無(wú)源元件構(gòu)建的。