硬件设计12---再论有源滤波器

时间：2018.2.27  作者：Tom   工作：HWE 说明：如需转载，请注明出处。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_60f319e301017993.html。

http://www.360doc.com/content/16/0124/20/29061197_530298782.shtml。

https://wenku.baidu.com/view/0ff9274cf7ec4afe04a1df3b.html。

1.有源滤波器和无源滤波器

无源可以看成额外吸收谐波的负载，被动的吸收谐波；有源可以看成电源，主动的生成反向谐波。对于这个的理解可以从英文来理解。 (Passive power filter,PPF），passive 可以理解为被动的消极的 专业翻译就是无源的。(Active power filter，APF） active 可以理解为主动的，积极的，专业翻译就是有源的。没毛病！！！

但是从上一节的分析中可以看出二阶无源RC低通滤波器的幅频曲线和二阶sallen-key低通滤波的幅频曲线基本一致，都是以40db/十倍频程衰减的。多了只是多了一个品质因数Q。先不管这个参数，我们来思考一下既然响应看起来都一样为什么要用有源滤波器呢？为什么有源滤波器是今后的发展方向呢？

我们说有源滤波器是在无源滤波器的之后产生的，而有源滤波器的产生是在集成运放产生之后产生的，那么这里我们需要了解一下这个集成运放是什么？有什么优点？这里我们进行简单的探讨。

2.集成运算放大器

3.为什么要使用有源滤波器？

    那么上述可以看出，我们为什么要使用有源滤波器，因为有源滤波器具有集成运放的特点！！！！！没有能量损耗，可以放大，什么不用电感等等我们不再分析，这里我们只分析有源滤波器幅频曲线和输入输出阻抗，来了解为什么要使用无源滤波电路。

----首先我们来看下无源滤波的一阶和二阶幅频曲线图，从图中来看下为什么需要有源滤波器！！！！

大家看到了什么？实际上一阶二阶滤波曲线的截止频率可以说是不一样的，高频衰减的速率增加了一倍，但带宽明显减小了。这样分析起来比较形象点。

    无源滤波器在截止频率附近的增益不能调节！！那么我们如何让高频衰减的比较快，而且不减少带宽呢？？？方法就是在f0附近增加一个可控的正反馈量，那么我们就要使用集成运放的反馈电路！！！有源滤波器可以调增益！！这句话很关键！

----第二个非常重要的关键点是：集成运放的特性是输入阻抗比较大，捕捉信号能力比较强，而输出阻抗比较小，带负载能力比较强！！这是什么意思？这其实就是一种隔离的思想，我把输入输出隔离开，输入输出的负载不会相互影响。

    假如说有两个设备，中间用滤波器进行信号滤波，我不知道我所接的设备阻抗会不会变化，也不知道多大多小，那么有源滤波器是最完美的选择，不是吗？

    再举一个形象的例子，集成运放输入阻抗无穷大，相当于开路，这不就是示波器的探棒吗，就是1M欧姆。试问一下示波器的1M欧姆的探棒什么信号测量不了呢？输出阻抗无穷小，那运放输出的信号压降都在负载上面，带负载能力强！！！就是这个隔离思想！！！很精髓呢！！

    这里给出一个音频的电路图，大家按照这个思想来去分析一下。

需要说明的是，无源滤波器输入阻抗和输出阻抗在滤波器设计的时候就固定了，接上负载以后会对整个频率响应影响很大，说实话你不知道面对的是什么设备的时候，用无源滤波可能会把设备弄坏的！！

4.经典的sallen-key二阶低通滤波电路

Sallen-key电路是一种正反馈有源滤波器。当通带增益为1时，Sallen-Key 低通滤波器的电路形式如下图1所示。

设计滤波器时，我们的指标是截止频率和品质因数。首先选择一个合适的电阻R，然后根据截止频率计算Cf，有了Cf 后根据品质因数计算C1和C2。

另外多说一句，Sallen-Key 低通滤波器的高频截止特性并不好，原因在于C1 横跨在输入与输出之间了。对于高频信号，运放的增益很低，我们可以认为这时运放不起作用了， 输入信号直接越过C1 到达了输出端。

下面给出一个电路仿真的结果，低通滤波器增益为1，R1=R2=1K，C1=220nF，C2=110nF，截止频率为1KHz，Q值为0.7。运放选的是OP07，增益带宽积为0.5MHz。

不用过多解释了，高频时的特性一目了然。

但是需要说明的是如果C1不接到输出端，那么也是可以的，为什么要把C1接到输出端呢？原因就是在通带截止频率fpàf0之间幅频特性下降的还不够快。C1的改接不影响通带增益，但滤波器的通带增益必须小于3才能保障电路稳定工作。

它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f＞＞fH时（fH 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90º，两级RC 电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。