低通濾波器

對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的強(qiáng)弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路(如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器)、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障(acoustic barriers)、圖像模糊處理等等，這兩個(gè)工具都通過剔除短期波動(dòng)、保留長期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)(moving average)所起的作用;低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。

巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類，其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。巴特沃斯濾波器在通頻帶內(nèi)外都有平穩(wěn)的幅頻特性，但有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真。

切比雪夫?yàn)V波器

低通濾波器切比雪夫?yàn)V波器是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類，其采用的是切比雪夫傳遞函數(shù)，也有高通、低通、帶通、高阻、帶阻等多種濾波器類型。同巴特沃斯濾波器相比，切比雪夫?yàn)V波器的過渡帶很窄，但內(nèi)部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。

高通它只需一個(gè)運(yùn)放(圖1a和1b)。多通(道)濾波器常用作帶通濾波器(圖1c)，而且它還只需要一個(gè)運(yùn)放。圖2及圖3示出了雙二階濾波器部分的拓?fù)?。每種結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)完整的通用濾波器傳遞函數(shù)。圖2所示電路使用三個(gè)運(yùn)放，并且使用中央運(yùn)放的目的僅是為了使總的反饋路徑為負(fù)反饋。帶開關(guān)電容器的相同濾波器只需兩個(gè)運(yùn)放(圖3)。參考文獻(xiàn)1和2介紹了這些濾波器結(jié)構(gòu)。并且使用中央運(yùn)放的目的僅是為了使總的反饋路徑為負(fù)反饋

低通低通濾波器允許從直流到某個(gè)截止頻率(fCUTOFF) 的信號(hào)通過。將通用濾波器二階傳遞函數(shù)的高通和帶通系數(shù)均設(shè)為零，即得到一個(gè)二階低通濾波器傳遞公式：對(duì)于高于f0的頻率，信號(hào)按該頻率平方的速率下降。在頻率f0處，阻尼值使輸出信號(hào)衰減。您可以級(jí)聯(lián)多個(gè)這樣的濾波器部分來得到一個(gè)更高階的(更陡峭的轉(zhuǎn)降)濾波器。假定設(shè)計(jì)要求一個(gè)截止頻率為10kHz的四階貝塞爾(Bessel) 低通濾波器。根據(jù)參考文獻(xiàn)1，每部分的轉(zhuǎn)降頻率分別為16.13及18.19 kHz，阻尼值分別為1.775及0.821，并且這兩個(gè)濾波器分區(qū)的高通、帶通和低通系數(shù)分別為0、0與1。您可以使用這兩個(gè)帶有上述參數(shù)的濾波器部分來實(shí)現(xiàn)所要求的濾波器。截止頻率為輸出信號(hào)衰減3 dB的頻率點(diǎn)。

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置，常用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面，有源低通濾波電路由集成運(yùn)放和無源元件電阻和電容構(gòu)成。它的功能是允許從零到某個(gè)截止頻率的信號(hào)無衰減地通過，而對(duì)其他頻率的信號(hào)有抑制作用。有源低通濾波電路可以用來濾除高頻干擾信號(hào)。

基本概念波電路的作用就是允許某段頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止或削弱其他頻率范圍的信號(hào)。有源濾波電路由電阻、電容和集成運(yùn)算放大器組成，又稱為有源濾波器。有源濾波器能夠在濾波的同時(shí)還能對(duì)信號(hào)起放大作用，這是無源濾波無法做到的。根據(jù)濾波電路通過或者阻止信號(hào)頻率范圍不同，可將濾波電路分為低通、高通、帶通和帶阻電路。本文討論的是有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真研究。有源低通濾波電路能夠通過低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào) [1] 。二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個(gè)RC環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成。通過分析可知：當(dāng)信號(hào)頻率大于截止頻率時(shí)信號(hào)的衰減率只有20dB/十倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)也受到衰減。二階壓控有源低通濾波電路衰減可以達(dá)到40dB/倍頻。而且在截止頻率附近，有用信號(hào)可以得到一定提升。如果Q=0.707時(shí)，濾波器的幅頻特性最為平坦;如果Q>0.707時(shí),幅頻特性將出現(xiàn)峰值。因此，我們后面要用到巴特沃斯歸一化方法設(shè)計(jì)電路圖參數(shù)。

運(yùn)放運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運(yùn)放結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于外部電路而言，其特性都是一樣的。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)，其中輸入級(jí)一般是采用差動(dòng)放大電路(抑制電源)，中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射負(fù)載電路(提高放大倍數(shù))，輸出級(jí)一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路(提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力) [1] 。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)包括5個(gè)，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。(開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。共模抑制比放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。 [1] )實(shí)際是有要求的。首先運(yùn)放的輸入阻抗要足夠大，以免輸入阻抗對(duì)電路中的實(shí)際電阻產(chǎn)生過大的影響。其次運(yùn)放的開環(huán)增益AV0要足夠大。但由于這些條件非常容易滿足，因此在設(shè)計(jì)有源二階低通濾波器時(shí)，不考慮。但在仿真時(shí)，不同的運(yùn)放對(duì)濾波器的指標(biāo)還是有影響的