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有源滤波器:只通过想要的频率

把电容阻抗随频率变化的性质与运放结合,就能从信号中只挑出想要的频带。亲手扫动输入频率,确认低频一侧通过、高频一侧被截掉的低通滤波器的形状。

扫动频率,找出通带与阻带的分界

曲线是滤波器的频率响应,表示各个频率下信号能通过多少。横轴是对数刻度,纵轴是分贝。扫动输入频率、移动工作点:在横轴标出的截止频率以下,响应平坦,信号原样通过;越过截止频率后,响应斜着下降,信号被逐渐截掉。指示器以分贝显示该频率下信号减少的程度。

输入频率 ff > fc
频率响应上的工作点
|H| = -36.0 dB
fc = 1 / (2π RC)
输入频率远高于截止频率。电容的阻抗变小,信号从电容这条捷径漏走,输出大幅减小,信号实际上被阻断。
被阻止

电容阻抗随频率而变

电阻的阻值与频率无关,电容却不同。电容的阻抗与频率成反比,Zc = 1/(2πfC)。对很低的频率,也就是变化缓慢的信号,阻抗非常大,几乎像断开一样把信号挡住;对很高的频率,阻抗变小,几乎像接通一样让信号通过。电容就这样像一个阻值随频率变化的电阻,这一性质正是区分频率的滤波器的基础。

RC 定下切割频率:截止

一个电阻和一个电容配对,就构成 1 阶滤波器。两者阻抗大小相等的频率就是截止频率 fc = 1/(2πRC),在这个频率上,响应比平坦的通带低 -3 dB。截止频率以下,电容阻抗大,信号几乎原样通过;截止频率以上,阻抗越来越小,把信号引向旁路,于是频率每升高 10 倍,响应下降 -20 dB。在哪里截止由 R 与 C 的乘积决定,乘积越大,截止频率越低。

有源:运放加上增益与缓冲

只用电阻和电容也能做成滤波器,但这种无源滤波器有弱点。它没有增益,不能放大信号;输出侧串着电阻,接上后级时,后级的负载会打乱截止频率。把同样的电阻和电容放在运放周围,就成为有源滤波器。常见的形式是在反相放大器的反馈电阻上并联一个电容,频率升高时电容把反馈电阻短接,增益就下降。运放给通带提供增益(通常用电阻比 -Rf/Rin,与截止频率分开设定),并以低输出阻抗稳稳驱动输出,使后级无法干扰它。把几级串接起来,还能得到更陡的截止,所以有源滤波器能从信号中干净地切出想要的频带。

观察Zc = 1 / (2π f C)
电容的阻抗与频率成反比。
选择fc = 1 / (2π R ?)
截止频率由 R 与 C 的乘积决定。
填空f = fc: Zc = ?
在截止频率处,电容的阻抗等于 R。
自己来Av = -Rf / ?
通带增益由电阻比决定,可以与截止频率分开选择。

回到第一屏

输入频率低时,响应处在平坦的通带,信号原样输出;提高频率后,越过截止频率,响应下降,信号被逐渐截掉。划出这条分界的,是随频率变化的电容阻抗,以及它与电阻相等的截止频率 fc = 1/(2πRC)。只用无源 RC 也能截止,但加上运放后,可以给通带加上增益,并用低输出阻抗挡住后级的干扰,截得干净。这就是有源滤波器。从无穷大增益的理想出发的运放,经过实际的限制,成为能挑选频率的实用电路。

电容的阻抗 Zc = 1/(2πfC) 随频率变化,低频时大(阻挡),高频时小(通过)。把 R·C 与运放结合,就得到只让想要的频带通过的有源滤波器。1 阶低通滤波器把截止频率 fc = 1/(2πRC) 以下的部分平坦地通过,以上的部分按 -20 dB/dec 压低。因为是有源的,运放加上增益(电阻比 -Rf/Rin)和低输出阻抗的缓冲,与无源 RC 不同,不受后级左右,还能多级串接,截得更陡。

接下来的脉络

到这里,处理信号的器件和电路都已看过。最后一组换个舞台,进入不处理信号、而处理电力本身的电力电子。从二极管整流(B)再前进一步,讨论用开关高效变换电压的 SMPS 的基础。为了减少损耗,器件只在导通与关断之间切换,在那里晶体管不是放大器,而是开关。