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E4 · op-amp

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,便能从信号中只挑出想要的频带。亲手扫动输入频率,看通过低端、切掉高端的滤波器。

扫动频率,找出通过与阻止的分界

曲线是各频率的通过量,即滤波器的频率响应。扫动输入频率移动工作点。截止频率之下响应平坦、信号原样通过,越过截止频率响应下降、信号渐被切去。

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。电容阻抗小、把信号旁路掉,输出大减、被阻止。
被阻止

电容阻抗随频率而变

电阻不论频率值都相同,电容则不同。电容阻抗与频率成反比:Zc = 1/(2πfC)。在极低频、即缓变信号下阻抗很大、几乎像断开般阻挡;在极高频下阻抗很小、几乎像接通般流过。于是电容像一个随频率改变阻值的电阻,正是这性质构成按频率分拣的滤波器之核。

RC 定下切割频率:截止

一个电阻配一个电容就成一阶滤波器。在两阻抗相等的频率、即截止频率 fc = 1/(2πRC) 处,响应比平坦通带低 3 dB。截止以下电容阻抗大、信号几乎原样通过;截止以上电容阻抗越来越小、把信号旁路掉,响应每十倍频降 -20 dB。在哪个频率切割,由 R 与 C 之积决定。

有源:运放加上增益与缓冲

只用电阻和电容也能成滤波器,但这种无源滤波器弱。无增益不能放大信号,输出夹着电阻、接后级时那负载会扰乱截止。把同样的 RC 置于运放周围便成有源滤波器。运放给通带以增益(常为电阻比 -Rf/Rin,与截止分开设定),以低输出阻抗稳稳驱动输出、使后级无法移动它,还能叠多级造出更陡的切割。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)
电容阻抗与频率成反比。
选择fc = 1 / (2π R ?)
截止频率由 R 与 C 之积决定。
填空f = fc: Zc = ?
截止处电容阻抗等于 R。
自己来Av = -Rf / ?
通带增益是电阻比,与截止分开设定。

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输入频率低时响应在平坦通带、信号原样输出;升高频率过了截止,响应下降、信号渐被切。划出那界线的,是电容阻抗随频率而变的性质,以及它等于电阻的截止 fc = 1/(2πRC)。仅无源 RC 也能切,但加上运放便给通带以增益、以低输出阻抗挡住后级干扰、干净切割。这就是有源滤波器。从无穷增益理想出发、历经现实极限的运放,终于完成为按频率分拣的用途。

电容阻抗 Zc = 1/(2πfC) 随频率而变:低频大(阻挡)、高频小(通过)。把 R·C 与运放结合便成只通过想要频带的有源滤波器。一阶低通在截止 fc = 1/(2πRC) 之下平坦通过、之上以 -20 dB/dec 压下。因有源,运放加上增益(电阻比 -Rf/Rin)与低输出阻抗缓冲,与无源 RC 不同不受后级摆布,可叠级更锐地切割。

接下来的脉络

至此我们看了处理信号的器件与电路。最后一组换个舞台,走向不处理信号而处理功率本身的电力电子。从二极管整流(B)再进一步,看用开关高效变换电压的 SMPS 基础。在那里,为减损耗只把器件开关,晶体管不再是放大器而是开关。