低通、高通、帶通三種濾波器的工作原理

濾波器是對波進行過濾的器件，是一種讓某一頻帶內(nèi)信號通過，同時又阻止這一頻帶外信號通過的電路。濾波器主要有低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器三種，按照電路工作原理又可分為無源和有源濾波器兩大類。

本文主要對低通、高通還有帶通三種濾波器做以下簡單的介紹。

電感阻止高頻信號通過而允許低頻信號通過，電容的特性卻相反。信號能夠通過電感的濾波器、或者通過電容連接到地的濾波器對于低頻信號的衰減要比高頻信號小，稱為低通濾波器。

低通濾波器原理很簡單，它就是利用電容通高頻阻低頻、電感通低頻阻高頻的原理。對于需要截止的高頻，利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過;對于需要放行的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點讓它通過。

最簡單的低通濾波器由電阻和電容元件構(gòu)成，如下圖。該低通濾波器的作用是讓低于轉(zhuǎn)折頻率f。的低頻段信號通過， 而將高于轉(zhuǎn)折頻率f。的信號去掉。

RC無源低通濾波器

RC無源低通濾波器的幅頻特性曲線

這一低通濾波器的工作原理是這樣：當輸入信號Vin中頻率低于轉(zhuǎn)折頻率f。的信號加到電路中時，由于C的容抗很大而無分流作用，所以這一低頻信號經(jīng)R輸出。當Vin中頻率高于轉(zhuǎn)折頻率f。時，因C的容抗已很小，故通過R的高頻信號由C分流到地而無輸出，達到低通的目的。這一RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率f。由下式?jīng)Q定：

低通濾波器除這種RC電路外，還可以是LC等電路形式。

最簡單的高通濾波器是“一階高通濾波器”，它的的特性一般用一階線性微分方程表示，它的左邊與一階低通濾波器完全相同，僅右邊是激勵源的導數(shù)而不是激勵源本身。當較低的頻率通過該系統(tǒng)時，沒有或幾乎沒有什么輸出，而當較高的頻率通過該系統(tǒng)時，將會受到較小的衰減。

實際上，對于極高的頻率而言，電容器相當于“短路”一樣，這些頻率，基本上都可以在電阻兩端獲得輸出。換言之，這個系統(tǒng)適宜于通過高頻率而對低頻率有較大的阻礙作用，是一個最簡單的“高通濾波器”，如下圖。

RC元件構(gòu)成的高通濾波器

RC高通濾波器的幅頻特性曲線

這一電路的工作原理是這樣：當頻率低于f。的信號輸入這一濾波器時，由于C1的容抗很大而受到阻止，輸出減小，且頻率愈低輸出愈小。當頻率高于f。的信號輸入這一濾波器時，由于C1容抗已很小，故對信號無衰減作用，這樣該濾波器具有讓高頻信號通過，阻止低頻信號的作用。這一電路的轉(zhuǎn)折頻率f。由下式?jīng)Q定：

高通濾波器除可以用元件外，還可以用LC構(gòu)成。

帶通濾波器是一種僅允許特定頻率通過，同時對其余頻率的信號進行有效抑制的電路。由于它對信號具有選擇性，故而被廣泛地應用現(xiàn)在電子設計中。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對。

帶通濾波器的作用

一個理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來表示。

通常，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。

然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應稱為吉布斯現(xiàn)象。