有源滤波器

有源滤波器

前几天在分析一个电路的时候发现用到了有源滤波器。说实在，现在有很多软件支持自动设计滤波器了，只要输入需求参数，比如阶数，类型，截止频率等就可以得到相应的滤波电路。常用的软件就是FilterPro。

但是这往往产生另外一个问题，就是如果电路产生了问题或者需要进行小小的改动，就会让人发懵，所以了解它的原理，才能有的放矢，不至于有了问题而发慌。

滤波器，主要有以下几种类型，Butterworth型，它的特点是通带内平坦，但下降较缓慢，通常以半功率点-3db到-20db/-40db之间为过渡带。通常如果过渡带越窄，则表示滤波器选择性越好。

还有一种类型就是Chebyshelv型，它的特点是下降较陡，但通带内有纹波。而Elliptic型，下降更陡，但带内带外都有纹波。

还有一种类型是Bessel型的，它下降的甚至比Butterworth还要平缓，但它有一个极好的特性就是线性相位。

一般来说，滤波器设计有设计理论以及综合方法。但是那样对于非研究工作者实在是费时费力，所以这里结合工程学简化理论及方法。

一般滤波器的传递函数是符合分子、分母都是多项式的情形。根据储能元件的个数又可分为一阶及二阶等情形。同时，滤波器又分为高通滤波器，低通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器及全通滤波器，每种滤波器对于特定的传输函数。

有源滤波器是在无源滤波器的基础上构成的，高阶滤波器是在低阶滤波器的基础上构成的。

无源滤波器以低通滤波器和高通滤波器为基础。然后在此基础上【加入同相比例放大电路】就构成了有源滤波器。有源滤波器由于运放的特性，具有带载能力强，且负载不会影响滤波器的特性。但有源滤波器由于功耗限制不能过滤大功率信号，如电源电路，所以电源电路的滤波还是无源滤波器。

在一阶滤波器的基础上再串联一阶或并联一阶就会构成二阶滤波器。称为简单二阶滤波器。但在此基础上，将第一阶的C引入到输出端从而产生一个正反馈，使放大倍数增大，从而使输出更陡，Q值更高，选择性更好。这种电路又称为Sallen-Key电路，这种滤波器称为有限增益滤波器电路。

Sallen-key电路的特点是Q在ω0(一般是-3db【通带】截止频率)处受影响大，Q值越大，上翘越厉害。一般而言，Q等于0.58时，构成Bessel型滤波器，Q等于0.707时，构成Butterworth型滤波器，Q等于0.943时，构成Chebyshelv滤波器，而Q趋向于无穷时电路就会发生震荡，所以一般要求Q小于10。而Q就是f0处的电压放大倍数(总得放大倍数)与通带放大倍数(同相比例放大电路的放大倍数)之比。

因为R的选型比较容易，所以一般先确定C的值在确定R的值。实际的运放由于非理想的，所以一般阻带也会有上翘一些，称为【高频馈通现象】，这时可以结合无源滤波器使用，以达到更好的滤波效果。

我们工程常用的Butterworth滤波器就是在此基础上，反馈电容取为2C，其它为R，R，C，通带放大倍数为1。那么得到的Q值就是0.707。

同理在低通的基础上，RC互换即可得到高通电路。

而关于带通电路，通常是低通串联高通得到。而Sallen-Key电路则是将Sallen-Key二阶高通滤波器的一级电容换成了低通无源滤波器(由二阶高通变换)。当然，还有变体。判断的时候只需要根据频率最小与最大的情况判断电路的工作状态，就可以知道是那种滤波器了。它还有一个特点是改变中心频率会改变带宽。

带阻滤波器一般是高低通的并联，也有一种方法就是原信号减去带通信号得到带阻信号。比如50Hz陷波器抑制工频干扰。

除了Sallen-Key形式外，还有一种常用的电路形式，叫做Rouch滤波器，又称多路反馈无限增益滤波器MFB。它不是同相端输入，而是反相端输入，所以是基于反相比例运算电路。它的二阶电路则是在反相比例简单滤波器的基础上通过变化得到【要点是多路反馈】。

原本是Rf和C并联产生反馈，但是将Rf调整到第一级了。Rouch的高通有点奇怪，并不是将RC简单互换，反馈电阻变成了电容，通带放大倍数竟然是反馈电容与第一个输入电容的比。带通也有一定的变化。Rouch电路的特点是Q高，频带窄，选择性好，并且可以做到改变中心频率而带宽不变，而且增益为负。根据带阻信号可以由原信号减去带通信号得到带阻信号，利用Rouch电路很容易实现。

利用高通和低通的相移特性，以及运放还可以获得全通滤波器。全通滤波器某种意义上算是移相器。

当然，滤波器不仅这两种，还有开关电容滤波器，状态变量型有源滤波器等。

不过，通过了解这些滤波器结构与特点，提高了很多。

[WhereIn Android] (http://www.wherein.io)