无源滤波电路及有源滤波电路.doc

三、无源滤波电路和有源滤波电路
无源滤波电路：若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成。
有源滤波电路：若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成。
1. 无源低通滤波器
如图所示为RC低通滤波器及其幅频特性，当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，故低频信号顺利通过。
带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。可见，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波器。

2.有源滤波电路
为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，如右图所示，这样就构成了有源滤波电路。

在理想运放的条件下，由于电压跟随器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零，因而 仅决定于RC的取值。输出电压 = ，负载变化，输出不变。
有源滤波必须在合适的直流电源供电的情况下才能起作用，还可以放大，只适合于信号处理，不适合高电压大电流的负载。

RC低通滤波器的响应特性

　曲电阻（R）和电容（C）构成的RC电路是电子电路中使用最多的电路。首先，研究简单的RC电路的特性，针对在CMOS数字电路中的应用进行实验。
　　图1是各使用一个电阻、一个电容的RC电路。这种电路从频率轴来看，可作为1次低通滤波器处理。所谓低通滤波器是指低频率时通过、高频率时截止，能除去噪声等不需要的高频率的滤波器。

　　图1 RC电路的频率一增益／相位特性
　　使用比RC常数所决定的频率f，（称截止频率）低的输人频率时，信号的衰减小；相反地，高频时，因电容C的阻抗（IhoC）与电阻R相比变小，故衰减将变大，并与频率成反比。
　　一般将低通滤波器上增益为－3dB（）处的频率称为截止频率，表示为：
　　超过截止频率fc的高频域的衰减特性，是以－GdB/oct（频率为2倍时衰减6dB）或－20dB/dec（频率为10倍时衰减20dB，变为1/10）特性的倾率使增益下降。
　　另外，输入输出间的相位特性也与输人频率f有关。随着频率f的上升，相位延迟角θ变大，在截止频率fc处，变为如下关系：

　　高频处可接近－90°。
　　图 1是为研究R＝10kΩ、C＝1000pF(fc＝15.92kHz)的增益／本目位特性，用增益相位分析器测定出来的结果。照片上夂处放入的标识点(·)与理论值不同，增益为－3.49 dB(正确值—3.0 dB)、相位为－46.8°(正确值-45°)，这是因为分析器的输入阻抗及RC的值存在误差的原因。

　　图1 RC电路实际的频率－增益／相位特性(·表示截止频率)
　　(F＝100Hz～1MHz，GdB/div，20°/div，R＝10kΩ，C＝1000pF）
　　从时间轴来看的RC滤波器电路如图2所示，阶跃响应特性的滤波器电路被广泛地使用。因其通过电阻对电容进行充放　　　电，故也称为RC充放电电路。这种电路对应阶跃输人的响应用下式表示：
　　输出电压Vo随着时间上升，但并不是直线上升。到达某输出电压Vo时所需要的时间∠可由推导出：
　　一般地，时间常数T(=RC)是到达输人电压V1，的63.2％时的时间。

　　图2 RC电路阶跃响应特性（T＝RC称为时间常数）
　　图片2是R＝10kΩ、C＝l000pF、V1=5V) 时的阶跃响应，在Vo=3V处放入光标。这里的Vo=3V表示后述的HS-CMOS逻辑电路(74HC14AP)的高电平阈值，T＝RC＝10×10(3)×1000×10(-12)＝10μS为最接近的时间点。