滤波电路概述

滤波电路概述

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端

并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。 交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化

之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把

整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分,但其脉动较大,需要经过滤波电路消除其脉动成分,使其更接近于

直流. 滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的

目的. 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电

容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电

感L也有平波作用。 滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前

面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。 滤波电路的分类 滤波电路的分类:(按工作频率的不同) 低通滤波器:允许低频率的信号通过,将高频信号衰减.

高通滤波器:允许高频信号通过,将低频信号衰减. 带通滤波器:允许一定频带范围内的信号通过,将此频带外的信号衰减.

带阻滤波器:阻止某一频带范围内的信号通过,而允许此频带以外的信号衰减. 滤波电路原理分析 波的基本概念

滤波是信号处理中的一个重要概念.滤波分经典滤波和现代滤波. 经典滤波的概念,是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念.根据高等数学理论,任何一

个满足一定条件的信号,都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成.换句话说,就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的,组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或

叫做谐波成分.只允许一定频率范围内的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的电路,叫做经典滤波器或滤波电路.

实际上,任何一个电子系统都具有自己的频带宽度(对信号最高频率的限制),频率特性反映

出了电子系统的这个基本特点.而滤波器,则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路.

用模拟电子电路对模拟信号进行滤波,其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择.根据频率滤波时,是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号,通

过选择不同的频率成分来实现信号滤波. 当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做高通滤波器.

当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做低通滤波器. 当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做带通滤波器.

理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述,也叫做滤波器电路的幅频特性.理想滤波器的幅频特性如图所示.图中,w1和w2叫做滤波器的截止频率.

滤波器频率响应特性的幅频特性图

对于滤波器,增益幅度不为零的频率范围叫做通频带,简称通带,增益幅度为零的频率范围叫做阻带.例如对于LP,从-w1当w1之间,叫做LP的通带,其他频率部分叫做阻带.通带所表示

的是能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率成分,阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分.通带内信号所获得的增益,叫做通带增益,阻带中信号所得到的衰减,叫做阻带

衰减.在工程实际中,一般使用dB作为滤波器的幅度增益单位. 低通滤波器

低通滤波器的基本电路特点是,只允许低于截止频率的信号通过. (1)一阶低通Butterworth滤波电路

下图a和b是用运算放大器设计的两种一阶Butterworth滤波电路的电路.图a是反相输入一阶低通滤波器,实际上就是一个积分电路,其分析方法与一阶积分电路相同.

基本滤波电路 演示 图b是同相输入的一阶低通滤波器.根据给定的电路图可以得到

对滤波器来说,更关心的是正弦稳态是的行为特性,利用拉氏变换与富氏变换的关系,有

下图是上式RC=2时的幅频特性和相频特性波特图.

RC=2时一阶Butterworth低通滤波器的频率响应特性 (2)二阶低通Butterworth滤波电路

下 图是用运算放大器设计的二阶低通Butterworth滤波电路.

二阶Butterworth低通滤波电路

直接采用频域分析方法得到

其中k = 1+R1/R2 .令Q=1/(3-k),w0=1/RC,则可以写成

其中k相当于同相放大器的电压放大倍数,叫做滤波器的通带增益,Q叫做品质因数,w0叫做

特征角频率. 下图是二阶低通滤波器在RC=2时的波特图,其中图a是Q>0.707时的效果,图b是Q=0.707

时的效果,图c是Q<0.707时的效果.

(a) Q>0.707

(b) Q=0.707

(c)Q<0.707

二阶低通滤波器在RC=2时的波特图 从图中可以看出,当Q>0.707 或Q<0.707时,通带边沿处会出现比较大的不平坦现象.因此,

品质因数表明了滤波器通带的状态.一般要求Q=0.707. 由此可以得到

这就是二阶Butterworth滤波器电压增益得计算0.707公式.令Q=0.707,得 0.414R2 = 0.707R1

通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率,这时滤波器具有3dB的衰减.利用滤波器幅频特性的概念,可以得到截止频率w0 =w =1/RC,即

f =1/2pRC

高通滤波器的特点是,只允许高于截止频率的信号通过.下图是二阶Butterworth高通滤波器电路的理想物理模型.

直接采用频域分析方法,并令k = 1+R1/R2 ,Q =1/(3-k),w0=1/RC,则可以得到二阶Butterworth高通滤波电路的传递函数为

二阶Butterworth高通滤波电路 演示 高通滤波器

考虑正弦稳态条件下,s=jw,得 二阶BButterworth高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似,当Q>0.707或Q<0.707

时,通带边沿处会出现不平坦现象.有关根据品质因数Q计算电路电阻参数R1 和R2的方法与二阶低通滤波器的计算相同.

同样,利用滤波器幅频特性的概念,可以得到截止频率w0 =w =1/RC,即 f =1/2pRC 滤波电路设计 交流电经过二极管整流之后,方向单一了,但是大小(电流强度)还是处在不断地变化之中.这

种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的.要把脉动直流变成波形平滑的直流,还需要再做一番"填平取齐"的工作,这便是滤波.换句话说,滤波的任务,就是把整流器输出电

压中的波动成分尽可能地减小,改造成接近恒稳的直流电. 电容滤波

电容器是一个储存电能的仓库.在电路中,当有电压加到电容器两端的时候,便对电容器充电,把电能储存在电容器中;当外加电压失去(或降低)之后,电容器将把储存的电能再放出来.充

电的时候,电容器两端的电压逐渐升高,直到接近充电电压;放电的时候,电容器两端的电压逐渐降低,直到完全消失.电容器的容量越大,负载电阻值越大,充电和放电所需要的时间越

长.这种电容带两端电压不能突变的特性,正好可以用来承担滤波的任务.

图5-9是最简单的电容滤波电路,电容器与负载电阻并联,接在整流器后面,下面以图5-9(a)

所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程.在二极管导通期间,e2 向负载电阻Rfz 提供电流的同时,向电容器C充电,一直充到最大值.e2 达到最大值以后逐渐下降;而电容器两端

电压不能突然变化,仍然保持较高电压.这时,D 受反向电压,不能导通,于是Uc便通过负载电阻Rfz 放电.由于C和Rfz 较大,放电速度很慢,在e2 下降期间里,电容器C上的电压降

得不多.当e2 下一个周期来到并升高到大于Uc时,又再次对电容器充电.如此重复,电容器C两端(即负载电阻Rfz :两端)便保持了一个较平稳的电压,在波形图上呈现出比较平滑的波

形.图5-10(a)(b)中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形.

显然,电容量越大,滤波效果越好,输出波形越趋于平滑,输出电压也越高.但是,电容量达到一定值以后,再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用.通常应根据负载电用和输出电说

的大小选择最佳电容量.表5-2 中所列滤波电容器容量和输出电流的关系,可供参考. 电容器的耐压值一般取 的1.5倍.

表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系. 表一

采用电容滤波的整流电路,输出电压随时出电流变化较大,这对于变化负载(如乙类推挽电路)

来说是很不利的. 二、电感滤波

利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点,可以用带铁芯的线圈做成滤波器.电磁滤波输出电压较低,相输出电压波动小,随负载变化也很小,适用于负载电流较大的场合.

三、复式滤波器. 把电容按在负载并联支路,把电感或电阻接在串联支路,可以组成复式滤波器,达到更佳的滤

波效果口这种电路的形状很象字母π,所以又叫π型滤波器. 电容滤波电路，电感滤波电路作用原理

整流电路的输出电压不是纯粹的直流,从示波器观察整流电路的输出,与直流相差很大,波形中含有较大的脉动成分,称为纹波.为获得比较理想的直流电压,需要利用具有储能作用的电

抗性元件(如电容、电感)组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压.

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类.无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等).有源滤波的主要形式是

有源RC滤波,也被称作电子滤波器.直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差.

脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量 半波整流输出电压的脉动系数为S=1.57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数

S≈O.67.对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1).(T为整流输出的直流脉动电压的周期.)

电阻滤波电路 RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的.如图1(B)RC

滤波电路.若用S表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=(1/ωC2R)S. 由分析可知,电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端,最后由C2再旁路掉.在ω

值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好.而R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗;若增大C2的电容量,又会增

大电容器的体积和重量,实现起来也不现实.这种电路一般用于负载电流比较小的场合. 电感滤波电路

根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同,由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示.因为电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C并联在负载两端.电感器L对直流

阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联.