濾波器和容抗簡介

無源濾波器

無源濾波器不包含任何放大元件，僅由電阻器、電容器和電感器（無源元件）組成。這些濾波器不會從外部電池電源獲取任何額外的電力。電容器將允許高頻信號，電感器允許低頻信號。同樣，電感器限制高頻信號的流動，電容器限制低頻信號。在這些濾波器中，輸出信號幅度總是小于施加的輸入信號的幅度。無源濾波器的增益總是小于單位。這表明這些無源濾波器無法改善信號的增益。因此，濾波器的特性會受到負載阻抗的影響。這些濾波器也可以在接近500 MHz的更高頻率范圍內(nèi)工作。

有源濾波器

有源濾波器的一些優(yōu)點

• 運算放大器、電阻器、電容器、晶體管和FET的組合形成了一個集成電路，從而減小了濾波器的尺寸和重量。
• 運算放大器的增益可以很容易地以閉環(huán)形式控制。由于這個原因，輸入信號不受限制。
• 這些適用于巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和考爾濾波器。

有源濾波器的主要缺點是工作頻率范圍較小。在許多應(yīng)用中，有源濾波器的工作頻率范圍僅最大化到500 kHz。有源濾波器必須需要直流電源。與無源濾波器相比，這些有源濾波器更敏感。即使由于環(huán)境變化，輸出也可能受到干擾。

濾波器是一個敏感電路，其中輸出分量只是頻率項。為了分析濾波器電路，頻域表示是最好的。此表示形式如下所示。

濾波器M的幅度稱為濾波器的增益。幅度通常以dB表示為20log （M）。

濾波器的一個重要特性是截止頻率。它被定義為在頻率響應(yīng)中分隔通帶和阻帶的頻率。通帶是濾波器允許的頻率范圍，沒有任何衰減。阻帶定義為濾波器不允許的頻率頻帶。

濾波器根據(jù)它們允許通過它們的信號頻率進行分類。有四種類型的濾波器，它們是低通濾波器，帶通濾波器，高通濾波器和帶阻濾波器。由于使用了高速運算放大器和元件的近似值，理想響應(yīng)和實際響應(yīng)的特性幾乎相等。

低通濾波器

低通濾波器將傳遞小于截止頻率“fc”的頻率信號。實際上，即使在截止頻率范圍之后，一小部分頻率也會通過。濾波器的增益取決于頻率。如果輸入信號頻率增加，則濾波器的增益減小。在過渡帶結(jié)束時，增益變?yōu)榱?。如下所示?/p>

其中虛線表示理想的濾波器特性，連續(xù)線表示實際的濾波器特性。

低通濾波器的應(yīng)用是在各種類型的揚聲器中的音響系統(tǒng)中。為了阻擋諧波發(fā)射，這些低通濾波器用于無線電發(fā)射器。這些也用于電話用戶線路中的DSL分配器。

高通濾波器

它們將在截止頻率“fc”之后通過頻率。在實際情況下，濾波器允許低于截止范圍的頻率可以忽略不計。如下所示。

高通濾波器與低通濾波器的組合形成帶通濾波器。高通濾波器的應(yīng)用是射頻電路，也用于DSL分路器。

帶通濾波器

濾波器本身的名稱表明它只允許某個頻段的頻率并阻止所有剩余的頻率。帶通濾波器的上限和下限取決于濾波器設(shè)計。帶通濾波器的實用和理想特性如下所示。

帶通濾波器的應(yīng)用是發(fā)射器和接收器電路。這些主要用于計算接收器電路的靈敏度和優(yōu)化信噪比。

帶阻濾波器

這些也稱為帶阻或帶消除濾波器。這些濾波器僅停止特定頻段的頻率，并允許所有其他頻率。濾波器的頻率限制取決于濾波器設(shè)計。虛線表示理想情況，其中連續(xù)線表示實際情況。它有兩個通帶和一個停止帶。

帶阻濾波器的應(yīng)用是儀器放大器。

理想的濾波器頻率響應(yīng)

現(xiàn)在讓我們看看不同濾波器的理想響應(yīng)。這里 fL 表示較低的截止頻率，fH 表示較高的截止頻率。

低通濾波器的理想特性

該響應(yīng)表明，低通濾波器將允許信號達到較低的截止頻率，并停止高于較低截止頻率的頻率。

高通濾波器的理想特性

這表明高通濾波器將允許頻率大于較高截止頻率，并停止低于高截止頻率的頻率。

帶通濾波器的理想特性

此響應(yīng)表明，帶通濾波器將僅通過較低截止區(qū)域和較高截止區(qū)域之間的頻率。它停止小于較低截止頻率的頻率，并停止大于較高截止頻率的頻率。

帶阻濾波器的理想特性

上圖顯示，大于較低截止頻率的頻率和低于較高截止頻率的頻率未被處理。

容抗

當(dāng)電阻器與電容器串聯(lián)時，形成RC電路。在RC電路中，電容器將從直流電源電壓充電，當(dāng)電源電壓降低時，最終電容器也會通過降低其存儲電荷來放電。不僅在直流供電時，甚至在交流電源的情況下，電容器也會根據(jù)電源電壓電平連續(xù)充電和放電。

但是由于內(nèi)阻，通過電容器的電流會有一些衰減。這種內(nèi)阻稱為容抗。'X_C'表示容抗，測量單位為歐姆，與電阻相同。

當(dāng)容性電路中的頻率根據(jù)頻率變化量變化時，該容抗值也會發(fā)生變化。電子從一個板流向另一個板導(dǎo)致電路中的電流流動。但由于電子的運動，頻率水平會有所不同。當(dāng)通過電容器的頻率增加時，容抗值降低，當(dāng)通過電容器的頻率降低時，容抗值增加。因此，我們可以說容抗與施加的頻率水平成反比。這表明電路中連接的電容器取決于電源頻率。這種現(xiàn)象稱為復(fù)阻抗。

容抗公式

Xc= 1/（2π1c）

其中 Xc= 容抗

π = 3.142

f = 頻率（赫茲）

c =電容單位為法拉 （F）。

容抗示例

讓我們考慮兩個頻率來觀察容抗現(xiàn)象。設(shè)f_1=1kHzandf_2=10kHz，電容c = 220nF。

在第一頻率水平

X_C= 1/2πf1c = 723.4Ω

在第二頻率級別：

X_C= 1/2πf2c= 72.34Ω

這清楚地表明，隨著頻率的增加，電抗降低。

容抗與頻率的關(guān)系

上圖顯示，大于較低截止頻率的頻率和低于較高截止頻率的頻率未被處理。

分壓器概念

我們已經(jīng)在電阻器主題中研究了分壓器概念，我們知道分壓器電路能夠產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓是輸入電壓的一小部分。

V外= V在x （R2/ （R1+ R2))

在上述電路中，通過用電容器C代替電阻R2，兩個元件上的壓降隨輸入頻率而變化，因為電容器的電抗隨頻率變化?，F(xiàn)在，電容器兩端的輸出電壓取決于輸入頻率。利用這個概念，我們可以通過在分壓器電路中用電容器替換其中一個電阻來構(gòu)建無源低通和高通濾波器。

低通濾波器中的電容行為

對于低通濾波器，電阻R2由電容C1代替。在正常頻率下，電路如上圖所示。當(dāng)頻率為零時，電抗值非常高，幾乎等于無窮大。在這種情況下，電路充當(dāng)開路。當(dāng)頻率非常高時，電抗值達到零，電路充當(dāng)閉合電路。上圖顯示了這兩種行為。

高通濾波器中的電容行為