低通，高通，带通滤波器，π型滤波器的工作原理

滤波器

滤波器是对波形（频率）进行过滤的器件，是一种让某一频带内信号通过，同时又阻止这一频带外信号通过的电路。

滤波器主要有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器三种，按照电路工作原理又可分为无源和有源滤波器两大类。

低通滤波器

电容阻止低频信号通过而允许高频信号通过，通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低通滤波器。

低通滤波器原理很简单，它就是利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过；对于需要放行的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过。

最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，如下图。该低通滤波器的作用是让低于转折频率f。的低频段信号通过， 而将高于转折频率f。的信号去掉。

这一低通滤波器的工作原理是这样：当输入信号Vin中频率低于转折频率f。的信号加到电路中时，由于C的容抗很大而无分流作用，所以这一低频信号经R输出。当Vin中频率高于转折频率f。时，因C的容抗已很小，故通过R的高频信号由C分流到地而无输出，达到低通的目的。这一RC低通滤波器的转折频率f。由下式决定：

低通滤波器除这种RC电路外，还可以是LC等电路形式。

高通滤波器

最简单的高通滤波器是“一阶高通滤波器”，它的的特性一般用一阶线性微分方程表示，它的左边与一阶低通滤波器完全相同，仅右边是激励源的导数而不是激励源本身。当较低的频率通过该系统时，没有或几乎没有什么输出，而当较高的频率通过该系统时，将会受到较小的衰减。

实际上，对于极高的频率而言，电容器相当于“短路”一样，这些频率，基本上都可以在电阻两端获得输出。换言之，这个系统适宜于通过高频率而对低频率有较大的阻碍作用，是一个最简单的“高通滤波器”，如下图。

这一电路的工作原理是这样：当频率低于f的信号输入这一滤波器时，由于C1的容抗很大而受到阻止，输出减小，且频率愈低输出愈小。当频率高于f。的信号输入这一滤波器时，由于C1容抗已很小，故对信号无衰减作用，这样该滤波器具有让高频信号通过，阻止低频信号的作用。这一电路的转折频率f。由下式决定：

高通滤波器除可以用元件外，还可以用LC构成。

带通滤波器

带通滤波器是一种仅允许特定频率通过，同时对其余频率的信号进行有效抑制的电路。由于它对信号具有选择性，故而被广泛地应用现在电子设计中。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。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。

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。

通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

典型π型RC滤波电路

    图7-27所示是典型的兀型RC滤波电路。电路中的Cl、C2是两只滤波电容，Rl是滤波电阻，Cl、Rl和C2构成一节π型RC滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同字母π且采用了电阻、电容，所以称为π型RC滤波电路。从电路中可以看出，π型RC滤波电路接在整流电路的输出端。
    这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电压首先经过Cl的滤波，将大部分的交流成分滤除，见图中的交流电流示意图。

                       

      经过Cl滤波后的电压，再加到由Rl和02构成的滤波电路中，电容C2进一步对交流成分进行滤波，有少量的交流电流通过C2到达地线，见图中的电流所示。

                 

  

    这一滤波电路中共有两个直流电压输出端，分别输出U01、U02两个直流电压。其中，U01只经过电容Cl滤波；U02则经过了Cl、Rl和C2电路的滤波，所以滤波效果更好，直流输出电压U02中的交流成分更小。
    上述两个直流输出电压的大小是不同的，Uo1电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中，这是因为这一路直流输出电压没有经过滤波电阻，能够输出最大的直流电压和直流电流；直流输出电压U02稍低，这是因为电阻Rl对直流电压存在电压降，同时由于滤波电阻Rl的存在，这一滤波电路输出的直流电流大小也受到了一定的限制。