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有源低通滤波器

2019年1月22日
通过管理员

在前面的教程中，我们已经了解了有源高通滤波器其中，采用无源RC滤波器和运放电路设计高通滤波器。在本教程中，我们将学习有源低通滤波器，并理解从低通到高通滤波器的转换仅仅是交换R和C组件。

如果你正在寻找关于被动滤波器的信息，请参阅以下教程:西汉姆必威“无源低通RC滤波器”和”无源高通RC滤波器”。

大纲

介绍

低通滤波器是一种滤波器，它通过从直流到上截止频率跳频的所有频率，并拒绝任何高于这个频率的信号。

在理想情况下，频率响应曲线在截止频率处下降。实际上，信号从过渡区到阻带区并不是突然下降，而是逐渐下降。

截止频率是指响应从通带下降-3 dB或70.7%的点。过渡区是指衰减发生的区域。

阻带区域是指输入信号衰减最多的区域。因此，这种滤波器也被称为高截切滤波器或三截切滤波器。理想响应如下图所示。

有源低通滤波器不是单独使用无源元件，而是由运放、场效应管和晶体管等有源元件与无源元件组合而成。与无源滤波器相比，这些滤波器非常有效。为了克服无源滤波器的缺陷，引入了有源滤波器。

利用运算放大器构成一个简单的有源低通滤波器。运算放大器将高阻抗信号作为输入，低阻抗信号作为输出。该滤波电路中的放大元件将增加输出信号的幅值。

通过放大器的这个动作，输出信号将变宽或变窄。滤波器的最大频率响应取决于电路设计中使用的放大器。

有源低通滤波电路

在无源电路中，信号的衰减即输出信号的幅度小于输入信号的幅度。为了克服无源滤波器的这一缺点，设计了有源滤波器。一个无源低通滤波器连接到反相或非反相运算放大器都可以得到一个简单的有源低通滤波器。

一阶有源滤波器由一个带RC电路的单运放构成。一个简单的RC无源滤波器连接到运算放大器的非反相端如下所示。

这个RC电路将提供一个低频路径到放大器的输入端。放大器作为一个缓冲电路提供单位增益输出。这个电路有较多的输入阻抗值。即使运算放大器的输入阻抗高于截止频率，这个输入阻抗也受到等于R+ 1 / jωC的串联阻抗的限制。

电路中连接的运放的输出阻抗总是很低。该电路具有较高的滤波器稳定性。这种配置的主要缺点是电压增益是统一的。即使对于这种电路，由于输入阻抗低，输出功率也很高。

高电压增益有源低通滤波器

上述有源低通滤波电路提供的增益不超过单位增益。因此，我们使用下面的电路来提供高电压增益。

当输入信号为低频时，信号直接通过放大电路，当输入频率较高时，信号通过电容C1。通过该滤波电路，输出信号的幅值随着滤波器的通带增益而增加。

我们知道，对于非反相放大电路，电压增益的大小由其反馈电阻R获得₂除以对应的输入电阻R_3.。

它是这样给出的

电压增益的幅度= {1 + (R₂/ R3)}

电压增益的有源低通滤波器

我们知道增益可以通过频率分量得到，它是这样给出的

电压增益= V_out⁄V_in = A_max⁄√(1 +美国f / f_c〗^ 2)

在哪里

一个_马克斯=通带增益= 1 + r2 / r3
f =操作频率。
f_c=截止频率。
V_出=输出电压。
V_在=输入电压。

当频率增加时，频率每增加10倍，增益降低20 dB。这个操作如下所示

在低频即工作频率f小于截止频率时，则

V_出/ V_在=一个_马克斯

当工作频率等于截止频率时，则

V_出/ V_在=一个_马克斯/√2 = 0.707 A_马克斯

当工作频率小于截止频率时，则

V_出/ V_在<一个_马克斯

根据这些方程，我们可以说在低频时电路增益等于最大增益，在高频时电路增益小于最大增益A_马克斯。

当实际频率等于截止频率时，增益等于A的70.7%_马克斯。由此我们可以说，频率每增加十倍，电压的增益就除以10。

电压增益的大小(dB)_马克斯= 20日志₁₀(V_出/ V_在)

频率为- 3db时，增益为:

3 dB_马克斯= 20日志₁₀{0.707 (V_出/ V_在)}