各种常见滤波器的相关介绍

摘 要：在电子技术中，我们研究的主要对象是信号，一切的电子产品中传输及处理的都是信号，对于信号的处理、传送及抑制干扰，常常要使用一种叫做滤波器的装置。

关键词：滤波器； 信号

在电子技术中，我们研究的主要对象是信号，一切的电子产品中传输及处理的都是信号，对于信号的处理、传送及抑制干扰，常常要使用一种叫做滤波器的装置。顾名思义，滤波器能够过滤一部分对我们无用的谐波，使有用的信号得以通过，这样可以达到去除干扰、筛选出有用信号的作用。因此，滤波器的优劣直接决定产品的优劣，对滤波器的研究和生产也历来为各国所重视。

一、滤波器的概念

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等工作。

实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

我们研究滤波器，主要主意以下几个参数：

（1）通带增益A0：滤波器通带内的电压放大倍数。

（2）特征角频率ωn和特征频率fn：它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关，通常ω0=1/RC，fn=1/2πRC，对于带通（带阻）滤波器，称为带通（带阻）滤波器的中心角频率ω0或中心频率f0，是通带（阻带）内电压增益最大（最小）点的频率。

（3）截止角频率ωc和截止频率fc：它是电压增益下降到 即时所对应的角频率。带通和带阻滤波器有两个截止频率。

（4）通带（阻带）宽度BW：它是带通（带阻）滤波器的两个之差值。

（5）等效品质因数Q：对低通和高通滤波器而言，Q值等于滤波器电路电压增益的模与通带增益之比；对带通（带阻）滤波器而言，Q值等于中心角频率与通带（阻带）宽度BW之比。

二、滤波器的分类

按处理的信号种类分，滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为无源、有源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，总之，它们的分类可以形成一个如下图的树形结构。

按使用的元器件分类，滤波器可分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。

按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择滤波器、幅度选择滤波器、时间选择滤波器（例如PCM制中的话路信号）和信息选择滤波器（例如匹配滤波器）。

按通频带分类，滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

除此之外，还有一些特殊滤波器，如满足一定频响特性、相移特性的特殊滤波器，例如，线性相移滤波器、时延滤波器、音响中的计权网络滤波器、电视机中的声表面波滤波器等。

三、常见滤波器介绍

1.无源滤波器

无源滤波器是指仅由电阻（R）、电感（L）和电容（C）等一些无源元件组成的滤波器。可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路。RC滤波器、LC滤波器、单调谐滤波器、双调谐滤波器等都属于无源滤波器。

无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80%，对基波的无功补偿也是一定的。

目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。

2.有源滤波器

有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。

有源滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。

3.开关电容滤波器（SCF）

20世纪80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成（LSI）。使用最多的滤波器成为“拦路虎”，RC有源滤波器不能实现LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。1979年一些发达国家单片SCF已成为商品（属于高度保密技术），现在SCF技术已趋成熟。SCF采用MOS工艺加以实现。当前MOS电容值一般为几皮法至100pF之内，它具有（10～100）×10-6/V的电压系数与（10～100）×10-6/℃的温度系数，这两个系数几乎接近理想的境界。

SCF具有下列一些优点：SCF可以大规模集成；SCF精度高，因为其性能取决于电容之比，而MOS电容之比的误差小于千分之一；功能多，几乎所有电子部件和功能均可以由SC技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要A/D、D/A转换；功能小，可以做到小于10mW。

4.数字滤波器（DF）

数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。

5.低通滤波器（LPF）

低通滤波器容许低频信号通过， 但减弱（或减少）频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器， 或高音消除滤波器。

6.高通滤波器（HPF）

高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。它有时被称为低频剪切滤波器；在音频应用中也使用低音消除滤波器或者噪声滤波器。高通滤波器与低通滤波器特性恰恰相反。一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的。当然，“低”和“高”频率的含义是相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的。

7.带通滤波器（BPF）

带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路（RLC circuit）。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。

8.带阻滤波器（BEF）

信号处理中的带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。■

参考文献

[1]朱小龙，周刚.一种多功能有源滤波器电路仿真设计与分析[J].安徽理工大学学报，2004

[2]李永敏等.检测仪器电子电路[M].西安：西北工业大学出版社，1994

[3]方勇.数字信号处理――原理与实践[M].北京：清华大学出版社，2006