有源滤波器:只通过想要的频率
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。
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。
回到第一屏
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。
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。