滤波器原理与优化全解析

原创于 2025-07-13 12:56:29 发布 · 置顶 · 1.1k 阅读

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定义：滤除特定频率的波或允许低于某种频率的波通过，很好抑制共模干扰和差模干扰，可以降低主电源谐波，保护驱动装置电力电子元件免受主电源尖峰电压冲击造成的危害；提高系统可靠性；抑制设备产生的谐波，防止其干扰设备周围的敏感机电设备；抑制电网尖峰电压，防止设备过电压。

滤波器安装位置靠近输入输出端，为的是避免输入输出端的高频干扰辐射出来影响其他电路

根据滤波电路的工作频带，可将滤波电路分为5类：低通滤波器LPF；高通滤波器HPF；带通滤波器BPF；带阻滤波器BEF；全通滤波器APF；

低通滤波器（LPF)理想幅频特性：

（用于直流电源整流后的滤波电路，可把整流后的高频交流电压滤除，得到平滑的直流电压）

高通滤波器(HPF)理想幅频特性：

（用于交流放大电路的耦合电路，隔离直流成分，通过并放大高于截止频率的交流信号）

带通滤波器(BPF)理想幅频特性：

（常用于载波通信或弱信号提取场合，提高信噪比）

带阻滤波器(BEF)理想幅频特性：

（用于在已知干扰或噪声频率的情况下，滤除已知频率的干扰噪声）

全通滤波器理想幅频特性：

全通滤波器理想相频特性：

（改变信号频谱相位是全通滤波器的主要用途，延迟均衡器是其主要应用领域）

实际滤波器的幅频特性：

不会在截止频率fP处发生突变，会有过渡段

无源滤波器——仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成的滤波电路：

无源滤波器带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高，无源滤波器的滤波特性与负载有关。无源滤波器不适用于对通带放大倍数、通带截止频率要求严格的场合。

有源滤波器——由无源元件和有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）共同组成的滤波电路

为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，于是就构成了有源滤波电路，有源滤波电路的频率特性不变。

有源滤波器的特点：

有源滤波器的分析方法

分析方法的出发点：在有源滤波器中，为使集成运放工作在线性区，电路中必须引用负反馈。

同时为了稳定输出电压，电路中应引入电压负反馈。电路中引入负反馈是有源滤波电路的特征，且通带放大倍数与负反馈网络密切有关。

分析时需要引入一个考虑点：理想运放的“虚短”，“虚断”。 “虚短”，净输入电压为零，同相与反相输入电压相等。UD=0,即Up=UN。

“虚断“，净输入电流为零，即IP=IN=0。

滤波器测试时的电测试参数：插入损耗、直流电阻、对地电容量、电压降、电感值、绝缘电阻。主要测试参数为插入损耗。

插入损耗测试采用网络分析仪进行测量，网络分析仪的显示屏上会显示滤波器在指定频率下的损耗值，这个值通常为负值。

负值原因：

1.插入损耗是指信号通过一个器件后，输出功率相对于输入功率的减少量，它是一个损耗或者衰减。现实中，器件总会消耗或反射掉一部分能量，导致输出功率小于输入功率。因此，插入损耗总是大于或等于0 dB的数值概念（表示损失了多少）。
2.网络分析仪测量的是散射参数（S参数）。S21参数特别关键。它表示信号从端口1（输入）传输到端口2（输出）的传输系数。它衡量的是输出信号相对于输入信号的幅度和相位变化。
3.仪器上显示数值的单位是分贝（dB）。分贝是一个对数单位，用于表示两个功率（或电压）的比值。电压比的分贝定义为：dB = 20 * log10(V_out / V_in) 。插入损耗意味着输出功率（或电压）小于输入功率（或电压），所以比值V_out / V_in 必然小于1。任何小于1的数的对数（log10）都是负数。
4.网络分析仪上显示是S21幅度（以dB为单位）就是插入损耗的直接读数。