低通濾波器概述

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。

當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器，或高音消除濾波器。低通濾波器是指車載功放中能夠讓低頻信號通過而不讓中、高頻信號通過的電路，其作用是濾去音頻信號中的中音和高音成分，增強(qiáng)低音成分以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的低音單元。由于車載功放大部分都是全頻段功放，通常采用AB類放大設(shè)計(jì)，功率損耗比較大，所以濾除低頻段的信號，只推動(dòng)中高頻揚(yáng)聲器是節(jié)省功率、保證音質(zhì)的最佳選擇。

低通濾波器工作原理

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(diǎn)讓它通過。

低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss濾波器）、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acousTIcbarriers）、圖像模糊處理等等，這兩個(gè)工具都通過剔除短期波動(dòng)、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。

低通濾波器（LPF）

最簡單的低通濾波器由電阻和電容元件構(gòu)成，見上圖（a），實(shí)際上這是一個(gè)最簡單的RC低通電路，一般稱為無源低通濾波器。該低通電路的電壓放大倍數(shù)為

由上圖（b）可見，當(dāng)頻率高于fo后，隨著頻率的升高，電壓放大倍數(shù)將降低，因此電路具有“低通”的特性。

這種無源RC低通濾波器的主要缺點(diǎn)是電壓放大倍數(shù)低，由Au的表達(dá)式可知，通帶電壓放大倍數(shù)只有l(wèi)。同時(shí)帶負(fù)載能力差，若在輸出端并聯(lián)一個(gè)負(fù)載電阻，除了使電壓放大倍數(shù)降低以外，還將影響通帶截止頻率fo的值。

利用集成運(yùn)放與RC低通電路一起，可以組成有源濾波器，以提高通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力。上圖（a）示出了一階低通有源濾波器的電路圖。

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（一）

巴特沃斯濾波器

巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類，其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。巴特沃斯濾波器在通頻帶內(nèi)外都有平穩(wěn)的幅頻特性，但有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真。

四階巴特沃斯低通濾波器

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（二）

濾波電路又稱為濾波器，是一種選頻電路，能夠使特定頻率范圍的信號通過，而使其它頻率的信號大大衰減即阻止其通過。按其工作頻率范圍的不同，濾波電路可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器。僅由電阻、電容、電感這些無源元件組成的濾波電路稱為無源濾波器。如果濾波電路中含有有源元件，如集成運(yùn)放等，則稱為有源濾波器。與無源濾波器相比，有源濾波器具有體積小、效率高、帶負(fù)載能力強(qiáng)、頻率特性好，而且在濾波的同時(shí)還可以將有用信號放大等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

圖1（a）所示電路為一階有源低通濾波電路。

其幅頻特性如圖1（b）所示。

為改善濾波效果，使f》fo時(shí)，信號衰減的更快，一般在圖1（a）所示的一階低通濾波器的基礎(chǔ)上再增加一級RC電路就構(gòu)成二階有源低通濾波器，如圖2所示。

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（三）

三階RC有源低通濾波器電路圖

計(jì)算公式為截止頻率

F=1/（WR1C1），R1=R4=2R2=2R3，C1=10C

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（四）

一階有源低通濾波器升級二階有源低通濾波器

為改善濾波效果，使f》fo時(shí)，信號衰減的更快，一般在圖1（a）所示的一階低通濾波器的基礎(chǔ)上再增加一級RC電路就構(gòu)成二階有源低通濾波器，如圖2所示。

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（五）

常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放）組成，則稱為有源濾波電路。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。

低通濾波可以簡單的認(rèn)為：設(shè)定一個(gè)頻率點(diǎn)，當(dāng)信號頻率高于這個(gè)頻率時(shí)不能通過，在數(shù)字信號中，這個(gè)頻率點(diǎn)也就是截止頻率，當(dāng)頻域高于這個(gè)截止頻率時(shí)，則全部賦值為0。因?yàn)樵谶@一處理過程中，讓低頻信號全部通過，所以稱為低通濾波。

低通過濾的概念存在于各種不同的領(lǐng)域，諸如電子電路，數(shù)據(jù)平滑，聲學(xué)阻擋，圖像模糊等領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到。

低通濾波電路圖

上圖這是一個(gè)有源低通濾波器，主要作用是對音頻解碼芯片CS4360輸出的音頻信號進(jìn)行低通濾波，把無用的高頻信號過濾掉。

低通濾波器電路圖設(shè)計(jì)（六）

本設(shè)計(jì)要求截止頻率為2 kHz，根據(jù)外接電阻和截止頻率的關(guān)系得到外接電阻REXT=40 kΩ，將DIV／CLK引腳短接到V+引腳。濾波電路連接如圖2所示。

該電路采用單電源供電模式，因此V+引腳接+5 V電源，C11為電源濾波電容，以確保輸入電壓質(zhì)量。R9和R12為分壓電阻。通過分壓得到GND引腳的參考電壓為2 V。IN+引腳為信號輸入引腳，OUT引腳為電路輸出引腳，通過該濾波電路即可輸出性能良好的波形。R10設(shè)置濾波器的截止頻率，本設(shè)計(jì)要求截止頻率為2 kHz，經(jīng)計(jì)算得到R10=40 kΩ，實(shí)驗(yàn)中測量了不同頻率下LTC1569（＄5.9000）的輸入和輸出幅值，如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)輸入頻率f=100 Hz、f截止=200 Hz時(shí)輸出信號開始衰減，當(dāng)f=f截止=2 kHz時(shí)，輸出信號的幅值為輸入信號的0．707倍，符合低通濾波電路的幅頻特性，保證了濾波電路的截止頻率為2 kHz。