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上一页 下一页 回首页 回末页 结束 第一章 第一章 光电信息技术物理基础 * §1.3.2 滤波器 filter 回目录 一、无源滤波器 无源滤波器指能选择、通过或抑制某频率范围信号的电路或器件。 滤波器的应用频率范围极宽，有适用于低到零点几赫的滤波器，也有高到微波波段的滤波器。根据滤波频率的中心频率和其他要求的不同，滤波器中采用各种谐振元件，电感、电容是最常用的谐振元件。对于工作于1千赫～100兆赫、相对带宽较窄且温度和时间稳定性要求高的滤波器,常用压电晶体作为谐振元件。还有用金属棍、盘作为谐振元件的机械滤波器，和把晶体与机械滤波器原理合并而成声表面波滤波器（见图1.3.2-2）。 上一节 图1.3.2-2 不同的滤波器所适用的频率范围 滤波器工作在内阻抗为ZS的电压源与负载ZL 之间(见图1.3.2-3)， 图1.3.2-3 滤波器原理图 U1、I1 及U2 、I2 分别表示输入端和输出端的复数电压和电流。滤波器的传输函数用下式表示： 式中T(jω)的实数部分称为衰减,虚数部分称为相位。输出功率|U2 I2|等于输入功率|U1 I1|,衰减为零，表示该频率范围内的输入信号能全部通过。衰减很小的频带称为通带。衰减大的频带称为阻带。通带和阻带交界处的频率称为截止频率。低通滤波器的通带由频率为零起一直到截止频率为止，其阻带在截止频率高的一侧。高通滤波器的起始频率决定于设计要求，其通带在截止频率高的一侧。带通滤波器是以两个有限截止频率之间的频段为通带。带通滤波器是以两个有限截止频率之间的频段为通带。带阻滤波器的通带和阻带正好与带通滤波器的相反。还有一种梳齿滤波器，它有许多按一定频率间隔相间排列的通带和阻带。 二、有源滤波器 有源滤波器指含有有源器件的各种滤波网络。 有源和无源元件结合可构成多种用途的电路。在有源滤波器中常用的电路有放大器、射极跟随器、倒相器、加法器和积分器等，最常用的是阻抗变换器。 1、低通滤波器 低通滤波器的功能是让直流到指定截止频率的低频分量通过，而使高频分量有很大衰减。低通滤波器一般用截止频率ωc 、阻带频率ωs 、直流增益H（0）、通带波纹和阻带衰减等参数来确定。图 1.3.2-8为低通滤波器幅频特性，其传递函数的一般形式为 HL(s) = Ho / D(s) 图 1.3.2-8 低通滤波器幅频特性 式中为Ho直流增益常数；D(s)为多项式，S = jω为复合频率。二阶低通滤波器传递函数的一般形式为 式中ωc为截止频率；Q为品质因数。当ω→∞时，HL(s) = 0；ω = 0时，HL(s) = 0不为零。HL(s)的最大值可能在ω = 0处，也可能在通带内其它频率处。图1.3.2-9所示为有限增益可控源的二阶低通滤波器，其传递函数为 上一页 图1.3.2-9 有限增益低通滤波器 与二阶低通滤波器的一般形式比较，有 该电路有五个参数R1 ，R2 ，C1 ，C2 和Ho 可选择。一种方法是R1 = R2 = R ，C1 = C2 = C ，则 当ωc 和Q已知时，有 ； ； ； ； ； 上一页 如按上述方法设计一个截止频率fc = 2 kHz ，品质因数 Q = 2 的滤波电路，则 =2.5 ； 若选 C = 0.1 μF ，则R = 795.8 Ω; R3 与 R4 值根据 =2.5 适当选取。 从上面分析可以看出，这种电路参数调整方便。如需调截止频率ωc ，则只要让R1 ，R2 或C1 ，C2 改变同样的百分比而不会影响品质因数 Q 值。同样可根据放大倍数调整R1 /R2 与C1 /C2 来改变Q 值，以获得各类传递函数的滤波幅频特性。这种电路由于采用了正反馈结构，其增益常数 Ho 3时，电路将失去稳定性，故增益有限。 2、高通滤波器 高通滤波器的功能是让高于指定截止频率ωc 的频率分量通过，而使直流及在指定阻带频率ωS 以下的低频分量参数有很大衰减。同样，与低通滤波器情况相似，没有理想的幅频特性。图1.3.2-10 为一实际的高通滤波器的幅频特性。 图1.3.2-10 高通滤波器幅频特性 理论上讲，高通滤波器在处也应是通带。但实际上由于寄生参数的影响及有源器件带宽的限制，当频率增至一定值，幅值将下降。 三、开关电容滤波器 开关电容滤波器是由 MOS开关、电容器和运算放大器构成的一种离散时间模拟滤波器。1、基本原理 最简单的开关电容滤波器见图1.3.2-13 。开关K置于左边时,信号电压源u1向电容器C1充电；K倒向右边时，电容器C1向电压源u2放电。当开关以高于信号的频率fc工作时,使C1在u1和u2的两个电压节点之间交替换接,那么C1在u1 、u2之间传递的电荷可形