滤波器和容抗介绍

介绍

电子滤波器是一种电路,设计用来拒绝电信号中所有不需要的频率成分,只允许需要的频率。换句话说,滤波器是一种只允许一定频带频率的电路。滤波器的主要应用是在音频均衡器和输入信号应是有条件的敏感电子设备中。这些过滤器主要分为两类。它们是有源滤波器和无源滤波器。

无源滤波器

无源滤波器不包含任何放大元件,只是由电阻、电容和电感(无源元件)组成。这些过滤器将不会从外部电池供应吸取任何额外的电源。电容将允许高频信号和电感允许低频信号。类似地,电感限制高频信号的流量,电容限制低频信号的流量。在这些滤波器中,输出信号的幅度总是小于应用的输入信号的幅度。无源滤波器的增益总是小于单位。这说明这些无源滤波器不能提高信号的增益。因此,滤波器的特性受负载阻抗的影响。这些滤波器可以工作在更高的频率范围,接近500兆赫兹也。

活跃的过滤器

有源滤波器除了无源元件(电阻、电容和电感)外,还包含放大器元件,如运放、晶体管和场效应管(有源元件)。利用这些滤波器可以克服无源滤波器的缺点。有源滤波器将依赖于外部电源,因为它将放大输出信号。没有任何电感元件,这些可以实现谐振频率,即输入阻抗和输出阻抗被抵消。在接下来的一年里做了无电感滤波器的设计。因为电感会消耗一些能量并产生杂散磁场。不仅存在这些问题,而且由于电感的大小有源滤波器增大。因此,由于这些原因,电感在有源滤波器中的使用减少了。

有源滤波器的一些优点

  • 运算放大器、电阻、电容、晶体管和场效应管的组合提供了一个集成电路,从而减小了滤波器的尺寸和重量。
  • 运算放大器的增益可以很容易地控制在闭环形式。由于这个原因,输入信号不受限制。
  • 这些适用于巴特沃斯滤波器,切比雪夫滤波器和考尔滤波器。

有源滤波器的主要缺点是工作频率范围较小。在许多应用中,有源滤波器的工作频率范围最大只能达到500khz。有源滤波器必须使用直流电源。与无源滤波器相比,有源滤波器更加敏感。即使由于环境变化,输出也可能受到干扰。

滤波器是一种敏感电路,其输出元件仅为频率项。分析滤波器电路时,频域表示法是最优的表示法。如下所示。

滤波器的大小M称为滤波器的增益。大小一般用dB表示为20log (M)。

滤波器的一个重要特性是截止频率。它定义为在频率响应中分离通带和阻带的频率。通频带是滤波器所允许的没有任何衰减的频率范围。阻带定义为滤波器不允许的频带。

过滤器根据允许通过的信号频率进行分类。有四种类型的滤波器,它们是低通滤波器,带通滤波器,高通滤波器和带阻滤波器。由于使用了高速运算放大器和元件的近似值,理想响应和实际响应的特性几乎相等。

低通滤波器

低通滤波器将通过频率信号小于截止频率' fc '。实际上,即使在截止频率范围之后,仍有一小部分频率通过。滤波器的增益将取决于频率。当输入信号频率增大时,滤波器增益减小。在过渡带的末端,增益为零。如下所示。

无花果:低Pass1作为

其中虚线表示理想滤波器特性,连续线表示实际滤波器特性。

低通滤波器的应用是在各种类型的扬声器中的声音系统。为了阻挡谐波的辐射,这些低通滤波器被用于无线电发射机。这些也用于电话用户线路的DSL分配器。

高通滤波器

他们将通过频率后的截止频率' fc '。在实际情况下,滤波器允许低于截止范围的频率可以忽略不计。如下所示。

无花果:高pass1作为

高通滤波器与低通滤波器的结合形成带通滤波器。高通滤波器应用于射频电路,也用于DSL分路器。

带通滤波器

滤波器的名称本身表明它只允许某一频带的频率,并阻塞所有剩余的频率。带通滤波器的上下限取决于滤波器的设计。带通滤波器的实际和理想特性如下所示。

无花果:乐队pass1作为

带通滤波器应用于发射和接收电路。这些主要用于计算接收电路的灵敏度和优化信噪比。

带阻滤波器

这些也被称为带抑制或带消除滤波器。这些滤波器只停止特定频带的频率,并允许所有其他频率。滤波器的频率限制取决于滤波器的设计。虚线表示理想情况,连续线表示实际情况。它有两个通频带和一个阻频带。

无花果:乐队stop1

带阻滤波器应用于仪器放大器。

理想滤波器频率响应

现在让我们看看不同过滤器的理想响应。这里fL表示较低的截止频率,跳频表示较高的截止频率。

低通滤波器的理想特性

无花果:低pass2

这个响应表明,低通滤波器将允许信号上升到较低的截止频率,并停止高于较低截止频率的频率。

理想的高通滤波器特性

无花果:高pass2

这表明高通滤波器将允许频率大于高截止频率和停止频率低于高截止频率。

带通滤波器的理想特性

无花果:乐队pass2

这个响应表明带通滤波器只通过低截止区和高截止区之间的频率。它停止低于较低截止频率的频率,也停止高于较高截止频率的频率。

带阻滤波器的理想特性

无花果:乐队stop2

从上图可以看出,大于下截止频率的频率和小于下截止频率的频率都没有被处理。

容抗

当电阻器与电容器串联时形成RC电路。在RC电路中,电容将从直流电源电压充电,当电源电压降低时,最终电容也通过减少其存储电荷而放电。不仅在直流供电的时候,即使在交流供电的情况下,也会根据供电电压水平的电容器不断充电和放电。

但是由于内阻的原因,流过电容器的电流会有一些衰减。这种内阻称为容性电抗。“X_C”表示容抗,以欧姆为单位,与电阻相同。

当电容电路中的频率变化时,根据频率变化的量,电容电抗的值也会发生变化。电子从一块板流到另一块板,造成电路中的电流流动。但由于电子的运动,频率水平是不同的。当通过电容器的频率增加时,容抗值降低,当通过电容器的频率降低时,容抗值增加。因此,我们可以说,容抗与施加的频率水平成反比。这表明连接在电路中的电容取决于电源频率。这种现象称为复阻抗。

容抗公式

Xc= 1 /(2π1 c)

Xc=容抗

π= 3.142

f频率(Hz)

c =法拉电容(F)。

容抗的例子

让我们考虑两个频率来观察容抗现象。设f_1=1kHzandf_2=10kHz,电容c = 220nF。

第一频率级

X_C= 1/2πf1c = 723.4Ω

在第二个频率级别:

X_C = 1/2πf2c = 72.34Ω

这清楚地表明,随着频率的增加,电抗减小。

容抗与频率

从上面的频率与容抗图中我们可以看到,当频率为零时,电抗值达到无穷大,这表明了开路现象。当频率呈指数增加时,电抗值减小。当频率达到无穷大时,电抗值接近于零,这给了我们闭环行为。

分压器的概念

我们已经在电阻的课题中研究了分压器的概念,我们知道分压器电路能够产生输出电压,而输出电压只是输入电压的一小部分。

V= Vx (R2/ (R1+ R2))

在上述电路中,通过用电容C替换电阻器R2,由于电容的电抗随频率变化,两个元件之间的电压降随输入频率而变化。现在电容的输出电压取决于输入频率。利用这个概念,我们可以构造无源低通和高通滤波器,只需在分压器电路中用电容替换其中一个电阻。

低通滤波器中的电容特性

图:低通滤波器中的电容

对于低通滤波器,将电阻R2替换为电容C1。在正常频率下,电路如图所示。当频率为零时,电抗值非常高,几乎等于无穷大。在这种情况下,电路充当开路电路。当频率很高时,电抗值达到零,电路就像一个闭合电路。这两种行为都显示在上图中。

高通滤波器中的电容器行为

图:高通滤波器中的电容

对于高通滤波器,电阻R1被电容C1所取代。从上图可以清楚地看出,在正常频率下,该电路的作用类似于高通滤波电路。最初在零频率值时,电路表现为开路。当频率增加时,电抗将呈指数级减小。在某一点上,频率达到无穷大的水平,因此,它影响电抗达到零状态。这些电路行为如图所示。

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