濾波器的原理特性及選型介紹

　導讀：濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾雜訊或進行頻譜分析。本文主要對濾波器的原理、特性、常見種類及濾波器的選取。本文旨在通過前面部分的介紹從而提出參考性的意見幫助電路設計人員確定在哪種場合該選用哪種濾波器。

　　一、濾波器的原理特性

　　1.濾波器的原理介紹

　　濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地局限於特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類感測器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變數時間‘是連續取值的，所以稱之為連續時間信號，又習慣地稱之為模擬信號。濾波，本質上是從被雜訊畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環節都可能由於環境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致於信號及其所攜帶的信息被深深地埋在雜訊當中了。

　　2.濾波器的技術特性

　　（1）特徵頻率：

　　a.通帶截頻fp=wp/（2p）為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規疾的下限；

　　b.阻帶截頻fr=wr/（2p）為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗下降到一人為規疾的下限；

　　c.轉折頻率fc=wc/（2p）為信號功率衰減到1/2（約3dB）時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻；

　　d.固有頻率f0=w0/（2p）為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，複雜電路往往有多個固有頻率。

　　（2）增益與衰耗

　　濾波器在通帶內的增益並非常數。

　　a.對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益；高通指w→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益；

　　b.對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數；

　　c.通帶增益變化量△Kp指通帶內各點增益的最大變化量，如果△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。

　　（3）阻尼係數與品質因數

　　阻尼係數是表徵濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。

　　阻尼係數的倒數稱為品質因數，是*價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標，Q= w0/△w.式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。

　　（4）靈敏度

　　濾波電路由許多元件構成，每個元件參數值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數x變化的靈敏度記作Sxy,定義為：Sxy=（dy/y）/（dx/x）。

　　該靈敏度與測量儀器或電路系統靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標誌著電路容錯能力越強，穩定性也越高。

　　（5）群時延函數

　　當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許範圍，對其相頻特性∮（w）也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數d∮（w）/dw*價信號經濾波后相位失真程度。群時延函數d∮（w）/dw越接近常數，信號相位失真越小。

　　二、濾波器的常見分類

　　1.根據濾波器的選頻作用分類

　　（1）低通濾波器。從0~f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低於f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高於f2的頻率成分受到極大地衰減。

　　（2）高通濾波器。與低通濾波相反，從頻率f1~∞，其幅頻特性平直。它使信號中高於f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低於f1的頻率成分將受到極大地衰減。

　　（3）帶通濾波器。它的通頻帶在f1~f2之間。它使信號中高於f1而低於f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。

　　（4）帶阻濾波器。與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1~f2之間。它使信號中高於f1而低於f2的頻率成分受到衰減，其餘頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。

　　2.按所採用的元器件分類

　　（1）無源濾波器。僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

　　（2）有源濾波器。由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優點是：通內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，並且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點是：通帶範圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。

　　3.根據“最佳逼近特性”標準分類

　　（1）巴特沃斯濾波器。從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性，其幅頻響應表達式為：