低通无源滤波器设计-详细技巧.doc

低通无源滤波器仿真与分析 一、滤波器定义 所谓滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，输入或输出特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率按所处理的信号按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。按所通过信号的频段按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。　　 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。　　 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。　　 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 按所采用的元器件 按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。　　 无源滤波器： 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。　 有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 分贝：是用对数的方式描述相对值，无量纲。 B 贝尔 （A/B）(贝尔)=lg（A/B）=lg(A)-lg(B) dB 分贝 （A/B）(分贝)=10 1g（A/B） 对于幅频响应， 其中3dB ：功率为2倍（10*1g2=3.01），电压或电流为1.414倍。 2、低通滤波器英文名称：low-pass filter 低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。 3、描述滤波器性能的基本参数：　　1.截止频率　　若滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到(即下降了3dB)时所对应的频率被称为截止频率。　　2.带宽B　　对于低通或带通滤波器，带宽是指其通频带宽度，对于高通或带阻滤波器，带宽是指其阻带宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。　　3.品质因数Q　　Q定义为带通或带阻滤波器的中心频率fc与带宽B之比，即　　　品质因数Q的大小反映了滤波器频率选择能力的高低。　　4.倍频程选择性　　是指在f02与2f02之间，或在f01与f01/2之间，幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时幅频特性的衰减量，用dB表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。 5、滤波器作用： 下图是对滤波器作用的说明。由0.7KHz和17KHz的两个正弦波所合成的信号，经过只允许频率低于1KHz的信号通过的RC滤波器之后，输出端只能检测到0.7KHz的正弦波信号。 通过Multisim对滤波器作用的仿真如下 如图所示，红色波形为输入信号的波形，它是两个信号的叠加。经过滤波后得到的蓝色波形是低频的波形，因为电阻分压的关系，得到的信号波形不是十分理想，放大以后可以看到波形不是很光滑，是因为受到前端电阻的影响，得到的幅度也比输入波形小很多，但却是一个0.7kHz的正弦信号。因此通过模拟仍反映出了此滤波器的低通特性。 五、低通滤波器设计 电容的阻抗以及频率响应特征 ω→0，→∞ 低频下相当于断路 ω→∞，→0 高频下相当于短路 电感的阻抗以及频率相应特征 ω→0，→0 低频下相当于短路 ω→∞，→∞ 高频下相当于断路 极点，当RC0时电路稳定。 5.1一阶RC低通滤波器 频率响应 幅频特性：； 相频特性：； 截止角频率 时，振幅=-3dB 式中为ω输入信号的角频率，令τ=RC为回路的时间常数，则有 ，为截止频率。 通过Multisim进行模拟得到截止频率为1K Hz的RC滤波器幅频和相频特性曲线，τ=RC=0.1592ms，只需要RC的乘积为此值既可。取R=1KΩ，C=0.15μ设计出滤波器电路，进行模拟。 得到的频谱图和相位图如图所示。可以看到在-3dB的截止点，频率为1kHz所以满足设计要求。在相位图上可以看到该点对应的角度为45°。 总结：适当改变电路中R或C的取值，可改变截止频率。设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。 可以求得 截止角频率，截止频率 通过M