电路滤波器——(一)RLC无源滤波器

让我们先掌握(复习)最基本的电路概念,包括RLC的拉式(傅里叶)变换,系统函数 H ( ω ) H(\omega) H(ω)等…大部分资源来源于网络,本篇文章作为一个整理,欢迎大家纠错和补充。接下来会更新有源滤波器和数字滤波器等。之所以发到CSDN主要是对于md和latex有相对比较好的支持。

RLC无源滤波器

由RLC网络构成。带负载能力差,无放大作用,特性不理想,边沿不陡。
H ( s ) = Y ( s ) X ( s ) = A u ˙ = U o ˙ U i ˙ H(s)=\frac{Y(s)}{X(s)}=\dot{A_u}=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}} H(s)=X(s)Y(s)=Au˙=Ui˙Uo˙
MatLab相关函数:

  • freqs(b,a,w) - 求得 H ( s ) = B ( s ) A ( s ) H(s)=\frac{B(s)}{A(s)} H(s)=A(s)B(s),但相位单位为°;
  • bode(tf) - 得出Bode图,需要tf(b,a)处理参数。

RLC变换:

  • R ↔ R R \leftrightarrow R RR
  • C ↔ 1 j ω C C \leftrightarrow \frac{1}{j\omega C} CjωC1
  • L ↔ j ω L L \leftrightarrow j\omega L LjωL
  • s ↔ j ω s \leftrightarrow j\omega sjω

例子

  • 一阶RC低通滤波器

    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第1张图片
    A u ˙ = U c ˙ U i ˙ = 1 1 + j ω R C f H = 1 2 π R C = 1 2 A u ˙ ; f = ω 2 π A u ˙ = 1 1 + j f / f H \dot{A_u}=\frac{\dot{U_c}}{\dot{U_i}}=\frac{1}{1+j\omega RC}\\ f_H=\frac{1}{2\pi RC}=\frac{1}{\sqrt2}\dot{A_u};f=\frac{\omega}{2\pi}\\ \dot{A_u}=\frac{1}{1+jf/f_H} Au˙=Ui˙Uc˙=1+jωRC1fH=2πRC1=2 1Au˙;f=2πωAu˙=1+jf/fH1
    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第2张图片

    f = f H f=f_H f=fH时,相角滞后45°,放大倍数幅值约降到0.707倍

  • 一阶RC高通滤波器

    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第3张图片
    A u ˙ = U r ˙ U i ˙ = j ω R C 1 + j ω R C f L = 1 2 π R C = 1 2 A u ˙ ; f = ω 2 π A u ˙ = j f / f L 1 + j f / f L \dot{A_u}=\frac{\dot{U_r}}{\dot{U_i}}=\frac{j\omega RC}{1+j\omega RC}\\ f_L=\frac{1}{2\pi RC}=\frac{1}{\sqrt2}\dot{A_u};f=\frac{\omega}{2\pi}\\ \dot{A_u}=\frac{jf/f_L}{1+jf/f_L} Au˙=Ui˙Ur˙=1+jωRCjωRCfL=2πRC1=2 1Au˙;f=2πωAu˙=1+jf/fLjf/fL
    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第4张图片

$f=f_L $时,相角超前45°,放大倍数幅值约降到0.707倍

  • RC带通滤波器 - 看做低通与高通的串联

    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第5张图片
    H ( j ω ) = U o ˙ U i ˙ = 1 3 − j ( f 0 / f − f / f 0 ) H(j\omega)=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}}=\frac{1}{3-j(f_0/f-f/f_0)} H(jω)=Ui˙Uo˙=3j(f0/ff/f0)1

  • RC带阻滤波器

电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第6张图片

  • 二阶RC低通滤波器

    在这里插入图片描述
    H ( j ω ) = U o ˙ U i ˙ = 1 j ω C / / ( R + 1 j ω C ) R + 1 j ω C / / ( R + 1 j ω C ) ⋅ 1 j ω C 1 j ω C + R = 1 1 + 3 j ( f / f 0 ) − ( f / f 0 ) 2 H(j\omega)=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}} =\frac{\frac{1}{j\omega C}//(R+\frac{1}{j\omega C})}{R+\frac{1}{j\omega C}//(R+\frac{1}{j\omega C})}\cdot\frac{\frac{1}{j\omega C}}{\frac{1}{j\omega C}+R}\\ =\frac{1}{1+3j(f/f_0)-(f/f_0)^2} H(jω)=Ui˙Uo˙=R+jωC1//(R+jωC1)jωC1//(R+jωC1)jωC1+RjωC1=1+3j(f/f0)(f/f0)21
    f 0 f_0 f0为截止频率,通过所需的截止频率可推算出RC值。

  • 二阶RC高通滤波器

电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第7张图片
H ( j ω ) = U o ˙ U i ˙ = U i ˙ ⋅ R / / ( 1 J ω c + R ) 1 j ω C + R / / ( 1 J ω c + R ) ⋅ R R + 1 j ω C U i ˙ = R / / ( 1 J ω c + R ) 1 j ω C + R / / ( 1 J ω c + R ) ⋅ R R + 1 j ω C = 1 1 − ( f 0 / f ) 2 − j 3 ( f 0 / f ) H(j\omega)=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}} =\frac{\dot{U_i}\cdot\frac{R//(\frac{1}{J\omega c}+R)}{\frac{1}{j\omega C}+R//(\frac{1}{J\omega c}+R)}\cdot\frac{R}{R+\frac{1}{j\omega C}}}{\dot{U_i}}\\ =\frac{R//(\frac{1}{J\omega c}+R)}{\frac{1}{j\omega C}+R//(\frac{1}{J\omega c}+R)}\cdot\frac{R}{R+\frac{1}{j\omega C}}\\ =\frac{1}{1-(f_0/f)^2-j3(f_0/f)} H(jω)=Ui˙Uo˙=Ui˙Ui˙jωC1+R//(Jωc1+R)R//(Jωc1+R)R+jωC1R=jωC1+R//(Jωc1+R)R//(Jωc1+R)R+jωC1R=1(f0/f)2j3(f0/f)1

  • 电感滤波电路

    由于电感有自感效应,当通过电流时,电感两端会产生电动势来阻值电流的变化,因而能够起到起到滤波作用。随着电流的增加,一部分将储存在电感当中使电流缓慢增加;与此同时,当电流减小的时候,反向电动势又反过来阻碍它的减小,最终的结果是得到比较平滑的直流电,同时它的外特性也比较硬,因此适用于大电流的负载。

  • π型RC滤波电路

    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第8张图片

    • C1可将大部分交流成分滤除,增大C1可提高效果,但充电时间会增长,充电电流随之增大,可能会损坏整流二极管,所以一般用比较小的C1与后续RC配合即可;

    • 增大R1、C2都可以提高滤波效果,但注意R1会产生压降,使输出电压降低

  • π型LC滤波电路

    电路滤波器——(一)RLC无源滤波器_第9张图片

    • 由前置滤波C1与倒L滤波电路(L1、C2)组成;

    • L对对交流电感抗大,但相较于R不会降低输出电压。

    • 对于倒L型电路,LC乘积越大滤波效果越好。

滤波类型 滤波电路特点 对整流二极管冲击 带负载能力 应用
电容滤波 电路简单,外特性比较软 小电流、负载电流变化不大
电感滤波 电感笨重成本高,外特性硬 大电流负载
倒L滤波 电感笨重成本高,外特性硬 大电流负载,效果强于上面
LCπ型滤波 电感笨重成本高,外特性硬 大电流负载,效果强于上面
RCπ型滤波 常用,外特性比较软 最差 小电流、负载电流变化不大

参考文献:

  • 滤波器基本概念分类 - https://mbb.eet-china.com/forum/topic/75523_1_1.html
  • 各种形式滤波电路的分析 - https://mbb.eet-china.com/forum/topic/75740_1_1.html

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