模拟电路系列文章-滤波器常识

文章目录

• • 概要
  • 整体架构流程
  • 技术名词解释
  • 技术细节
  • 小结

概要

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滤波是一个动作，对不同频率输入信号，实施不同的增益和相移，以形成输出。滤波器，是执行这种动作的硬件设备或者软件程序。无论滤波，还是滤波器，英文均为filter ，它是名词，也是动词。
比如，高通滤波器的动作效果是∶输入频率较高时，其增益逼近一个设定值，相移基本为0，当输入频率低于某一设定值后，随着频率的降低，增益开始逐渐下降，相移开始逐渐增大，最终的结果是，直流量或者超低频率量，都会被滤除。
产生频率失真的根本要素是，输入波形是一个复合波，低失真度放大电路对输入波形中不同频率信号，实施了不同增益、不同延时的放大。虽然，对每个单一频率正弦波，都不产生非线性失真，但是，由于线性失真的存在，输出的复合波形仍然会发生变形。
图Section76-2是用Excel生成的，表现线性失真的示意图。图中蓝色为原始输入的复合波形，由等幅度的基波和3次谐波相加形成，如果没有发生线性失真，其输出将与输入一样。单纯的幅度失真如图红色波形所示，它是1倍的基波+0.5倍的3次谐波组成，很显然，放大电路对3次谐波实施了幅度的衰减，输出波形看起来平滑了很多，即我们常说的高频抑制;而绿色波形则是单纯的相位失真，它是有1倍基波无相移·1倍3次谐波含一个固定相移组成;而紫色波形则是"既包含幅度失真，又包含相位失真"的综合失真。

整体架构流程

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所谓的模拟滤波器，其输入量是连续的模拟信号。
而数字滤波器，其输入量是离散的数字信号，或者是一个程序，对已有的数字序列进行滤波，形成新数据。

技术名词解释

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      模拟滤波，只能通过硬件电路实现。而数字滤波，既可以用硬件的数字电路实现，也可以用软件编程实现。
       目前稍复杂的电子系统，都存在3个环节，感知自然界模拟信号的输入环节，模数转换和处理器环节，数模转换和执行环节。在这样的电子系统中，存在大量的滤波器。
比如MP3，它可以听歌，也可以录音放音。信号链路，以录音放音为例，其流程如下︰

1)外界的声音是一个客观存在的声波，传递到麦克风，麦克风是一个声电变化器，它负责把声音信号转换成mV量级的波动电压信号。虽然麦克风没有专门设计滤波器，但是它本身的物理特性限制了它的工作频率范围，从表象看，它是一个几H到几十kHz的带通滤波器，这属于模拟滤波器。
2)后级的“输入模拟信号处理"单元，其实就是本书的内容，它负责把 mV量级的波动电压，转变成V量级的波动电压，因此需要上千倍的电压放大，并且在这个环节，需要实施10Hz~50kHz的带通滤波，以保证人类能够听到的20Hz~20kHz信号能够完整的传递，且滤除人类听不到的声音，这属于模拟滤波。

3)随后，这个波动电压被ADC (Analog to Digital Converter，模数转换器）变成离散的数码序列，通过主控的处理器，读取ADC 的数据，保存在内部的 FLASH ROM中，或者外插的SD卡、U盘中。在ADC内部，一般不存在模拟滤波，是否存在数字滤波取决于ADC的类型，对于音频领域的ADC，多数为工-△型，内部含有数字滤波器。
 

技术细节：

有源滤波：

有源器件，active device，或active compenent，是必须有额外电能供应才能工作的器件，比如晶体管、运放、门电路、处理器等。由至少1个有源器件组成的滤波器，称为有源滤波器，active filter。就是一个有源滤波器。

无源滤波：

所谓的无源滤波器，passive filter，是只用无源器件组成的滤波器。无源器件，也称被动器件，英文为passive device，或 passive compenent，它的特点是无需外部供电即可工作，一般包括电阻、电容、电感和变压器。

 

优缺点：

       无源滤波器的优点是︰
1)在大电压、电流时，很多有源器件会失效，而无源器件一般不受限制。2)在超高频率时，无源器件具有天生的优势。
3）实现最为简单的滤波时，无源电路有优势。
4)一般来说，会比有源器件便宜一些，除非用到大个头的电感、电容。

      有源滤波器的优点是︰
1)可以引入负反馈、可以引入放大环节，因此可以实现极为复杂的滤波器，且能轻松应对小信号。
2)可以轻松实现多级滤波器的级联，而无源滤波器各级之间的互相影响是极为复杂的，多级级联非常困难。
3）对超低频率，有源滤波器有天生优势。它可以利用反馈网络，通过密勒等效等方法，用很小的电容代替超大电容、电感。我们知道，特征频率越低，要求电容值越大。即便现在已经有了超级电容，我们仍应坚信，制作电容需要足够大的面积和足够小的间距，这在物理上，是受限的。单纯用无源电路，想实现超低频率的滤波器，唯一的方法是使用超大的电容器，这非常困难。
4)电路计算相对更简单。

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例如：

• API
• 支持模型类型

小结

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例如：

本文重点分享的有源滤波和无源滤波。