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:
变换后得到:
所以,其传递函数为:
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:
不难得出其传递函数为:
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,电路中的运放只是跟随或者放大信号,但是加入运放后,它具有不少优点。
由于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。