想象一下，作為一名音頻工程師，剛剛錄制了整個(gè)職業(yè)生涯中最好的聲音之一，但錄音中有大量不需要的高頻噪音，而且似乎無法消除，或者是一名電氣工程師，對這些噪音感到困惑。最新整流器直流輸出中的高頻失真。盡管存在差異，這兩種情況都需要相同的解決方案，即過濾器。濾波器是一種電路，會(huì)影響通過其輸入饋送的電信號的交流內(nèi)容。就音頻工程師而言，他會(huì)使用濾波器來消除錄音中的高頻噪聲，而電氣工程師會(huì)使用不同的濾波器來衰減（減少）輸出電壓中的失真。為了能夠確定要使用的過濾器類型，

感謝法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·傅里葉的工作，現(xiàn)在我們知道任何周期信號都可以表示為正弦波和余弦波的組合，可以通過分析信號來確定其性質(zhì)。這意味著任何給定的周期信號都可以被證明由某些頻率的正弦波和余弦波組成，并且可以影響這些單獨(dú)的頻率以改變整個(gè)信號的特性。因此，濾波器可以通過它們對信號不同頻率分量的影響來表征。最常見的類型是低通、高通、帶通和帶阻（或陷波）濾波器。

低通濾波器

顧名思義，低通濾波器允許低于某一頻率的頻率通過衰減。該點(diǎn)稱為濾波器的截止頻率。信號中高于截止頻率的任何頻率分量都會(huì)被衰減到某個(gè)值，該值由濾波器的構(gòu)造方式?jīng)Q定。這種濾波器的一個(gè)簡單例子是衰減音頻波高頻分量的硬墻。這正是任何音頻的低頻音符在相鄰房間中更清晰的原因。

上圖中，通帶是指未衰減的頻段，而阻帶是指被衰減的頻段。頻率響應(yīng)曲線用于表示濾波器的響應(yīng)。

高通濾波器

高通濾波器允許高頻分量通過，同時(shí)衰減低頻分量。

帶通濾波器

帶通濾波器允許一段頻率通過，同時(shí)衰減其余信號?？梢詫⑵湎胂鬄楦咄ê偷屯V波器的組合，其中低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率。

帶阻濾波器

帶阻濾波器與帶通濾波器相反，帶通濾波器允許范圍之外的頻率通過，同時(shí)衰減該范圍內(nèi)的頻率。與帶通濾波器一樣，它也可以想象為低通濾波器和高通濾波器的組合，低通濾波器的截止頻率低于高通濾波器的截止頻率。

周期信號有兩個(gè)方面，即增益和相位。增益是指信號的幅度，以 dB（或分貝）為單位測量。另一方面，相位與信號相對于其原始波形的時(shí)間延遲有關(guān)。這可以通過圖表更好地解釋。

盡管用于描述濾波器的語言表明它們僅衰減/增強(qiáng)信號的增益，但它們也會(huì)影響信號中各個(gè)頻率分量的相位。例如，低通濾波器不僅衰減高于其截止頻率的頻率，而且還反轉(zhuǎn)它們的相位。這就是濾波器具有增益和相位響應(yīng)圖的原因。這些圖顯示了輸入信號頻率與由于應(yīng)用濾波器而導(dǎo)致的增益和相位變化之間的關(guān)系。

有源和無源濾波器

無源濾波器

所有濾波器中最簡單的是僅使用電阻器、電容器和電感器構(gòu)建的濾波器。此類濾波器稱為無源濾波器，因?yàn)樗鼈兪怯蔁o源元件構(gòu)成的。在電子產(chǎn)品中，無源元件是指那些自身不產(chǎn)生能量的元件。它們只能耗散能量（在電阻器的情況下）或存儲(chǔ)能量（在電感器和電容器的情況下）。此外，它們的輸出不能使用電源來改變。例如，以下是一個(gè)簡單的RC高通濾波器的構(gòu)造：

只需更改輸出連接即可實(shí)現(xiàn)低通濾波器，如下所示：

以下是使用 RC 網(wǎng)絡(luò)的簡單帶通濾波器：

請注意它是如何通過級聯(lián)高通和低通濾波器構(gòu)建的：

可以使用 RL 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相同的濾波器電路。例如，RL 低通濾波器：

RC 網(wǎng)絡(luò)是濾波器的首選結(jié)構(gòu)，因?yàn)闉V波器可以在更小的占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)。即使容量很小，電感器的尺寸也很大，并且會(huì)增加系統(tǒng)損耗，同時(shí)也更昂貴。

盡管無源濾波器實(shí)施起來很簡單，但它也有一些缺點(diǎn)。例如，無源濾波器的通帶增益不為零。這意味著信號在通過無源濾波器后強(qiáng)度會(huì)降低。此外，當(dāng)我們級聯(lián)無源濾波器來增加斜率時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致幅度進(jìn)一步損失，這種現(xiàn)象稱為“級間負(fù)載”。此外，連接到濾波器的負(fù)載可以改變其截止頻率。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了有源濾波器的發(fā)展。

有源濾波器

有源濾波器之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈兪鞘褂糜性丛驗(yàn)殡娐诽砑幽芰康脑?gòu)建的。有源元件的例子包括放大器、晶體管、振蕩器等。在濾波器中，最常用的有源元件是運(yùn)算放大器或簡稱運(yùn)放。濾波器電路中使用放大器來克服無源濾波器的缺點(diǎn)。

下圖所示為有源低通濾波器：

有源濾波器的通帶增益為 0dB，這意味著它們不會(huì)衰減通帶中的信號。它們具有高輸入和低輸出阻抗，這對應(yīng)于兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是負(fù)載阻抗不會(huì)影響濾波器的性能，二是級聯(lián)多個(gè)濾波器不會(huì)導(dǎo)致增益下降，或者減輕級間負(fù)載。這些特性使它們非常適合級聯(lián)。由于它們是有源器件，因此可以將它們配置為增強(qiáng)通帶中的信號。

有源濾波器和無源濾波器的區(qū)別

• 如上所述，有源濾波器和無源濾波器之間的主要區(qū)別在于，無源濾波器是由電阻器、電容器和電感器等無源元件構(gòu)成的，而有源濾波器是由放大器等有源元件以及無源元件構(gòu)成的。
• 有源濾波器需要電源才能運(yùn)行，而無源濾波器則不需要。
• 無源濾波器的輸出隨負(fù)載而變化，而有源濾波器無論連接的負(fù)載如何都保持其性能。
• 無源濾波器不能對信號應(yīng)用額外的增益，而有源濾波器可以。即使不應(yīng)用增益，有源濾波器也會(huì)保持信號幅度，而無源濾波器則會(huì)衰減整個(gè)信號。

要點(diǎn)

• 濾波器是一種衰減某些頻率的電路。
• 高通濾波器衰減低于截止頻率的頻率。
• 低通濾波器衰減高于截止頻率的頻率。
• 帶通濾波器衰減兩個(gè)截止頻率之外的頻率。
• 帶阻濾波器衰減兩個(gè)截止頻率之間的頻率。
• 無源濾波器是使用電阻器、電容器和電感器等無源元件構(gòu)建的濾波器。
• 有源濾波器是使用放大器等有源元件以及無源元件構(gòu)建的。