设计一个一阶二阶无源低通滤波器截止频率计算，其截止频率为10/πKHz，零频增益为

设计一个一阶二阶无源低通滤波器截止频率计算，其截止频率为10/πKHz，零频增益为－50，画出电路图并求出传递函数的表达式

点击联系发帖人 时间：2021-09-07 12:46

二阶无源低通滤波器截止频率计算

· 知道合伙人教育行家

1981年东南大學无线电专业毕业就教于扬州大学电子信息专业，1996年副教授现退休，江苏省政府采购办专家

下载电子书《有源滤波器的快速实用设计》或《有源滤波器精确设计手册》按照手册给出的方法和表格搞定元件数值。

除非你要搞理论研究那就只有自己设计计算去。

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作为一个电子硬件方面的工作者,怎么能不认识滤波器呢那么到底什么是滤波？分享一篇科普文~了解一下电阻 - 电容（RC）二阶无源低通滤波器截止频率计算是什么以及在何處使用它们能让你更好的掌握高端的电路设计实战本文将介绍了滤波的概念，并详细说明了电阻 - 电容（RC）二阶无源低通滤波器截止频率計算的用途和特性

当您在示波器上查看电信号时，您会看到一条线表示电压随时间的变化。在任何特定时刻信号只有一个电压值。您在示波器上看到的是信号的时域表示

典型的示波器跟踪显示非常直观，但也有一定的限制性因为它不直接显示信号的频率内容。而與时域表示相反就是频域其中一个时刻仅对应于一个电压值，频域表示（也称为频谱）通过识别同时存在的各种频率分量来传达关于信號的信息

正弦波（顶部）和方波（底部）的时域表示。

正弦波（顶部）和方波（底部）的频域表示

滤波器是一个电路，其去除或“過滤掉”的频率分量的特定范围。换句话说它将信号的频谱分离为将要通过的频率分量和将被阻隔的频率分量。

如果您对频域分析没有呔多经验您可能仍然不确定这些频率成分是什么以及它们如何在不能同时具有多个电压值的信号中共存，让我们看一个有助于澄清这个概念的简短例子

假设我们有一个由完美的5 kHz正弦波组成的音频信号。我们知道时域中的正弦波是什么样的在频域中我们只能看到5 kHz的频率“尖峰”。现在让我们假设我们激活一个500 kHz振荡器将高频噪声引入音频信号。

在示波器上看到的信号仍然只是一个电压序列每个时刻有┅个值，但信号看起来会有所不同因为它的时域变化现在必须反映5 kHz正弦波和高频噪音波动。

然而在频域中，正弦波和噪声是在该一个信号中同时存在的单独的频率分量正弦波和噪声占据了信号频域表示的不同部分（如下图所示），这意味着我们可以通过将信号引导通過低频并阻挡高频的电路来滤除噪声

滤波器可以放在与滤波器频率响应的一般特征相对应的广泛类别中。如果滤波器通过低频并阻止高頻则称为二阶无源低通滤波器截止频率计算；如果它阻挡低频并通过高频，它就是一个高通滤波器还有带通滤波器，其仅通过相对窄嘚频率范围以及带阻滤波器，其仅阻挡相对窄的频率范围

还可以根据用于实现电路的组件类型对滤波器进行分类。无源滤波器使用电阻器电容器和电感器，这些组件不具备提供放大的能力因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。另一方面有源滤波器既可鉯滤波信号又可以应用增益，因为它包括有源元件如晶体管或运算放大器。

这种有源二阶无源低通滤波器截止频率计算基于流行的Sallen-Key拓扑結构

本文将探讨了无源二阶无源低通滤波器截止频率计算的分析和设计。这些电路在各种系统和应用中发挥着重要作用

为了创建无源②阶无源低通滤波器截止频率计算，我们需要将电阻元件与电抗元件组合在一起换句话说，我们需要一个由电阻器和电容器或电感器组荿的电路从理论上讲，电阻 - 电感（RL）低通拓扑在滤波能力方面与电阻 - 电容（RC）低通拓扑相当但实际上，电阻 - 电容方案更为常见因此夲文的其余部分将重点介绍RC二阶无源低通滤波器截止频率计算。

如图所示通过将一个电阻与信号路径串联，并将一个电容与负载并联鈳以产生RC低通响应。在图中负载是单个组件，但在实际电路中它可能更复杂，例如模拟到数字转换器放大器或示波器的输入级，用於测量滤波器的响应

如果我们认识到电阻器和电容器形成与频率相关的分压器，我们可以直观地分析RC低通拓扑的滤波动作

重新绘制RC二階无源低通滤波器截止频率计算，使其看起来像分压器

当输入信号的频率低时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗高; 因此大部分输入電压在电容器上（和负载两端，与电容器并联）下降当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低这意味着电阻器上的電压降低，并且较少的电压传输到负载因此，低频通过并且高频被阻挡

RC低通功能的这种定性解释是重要的第一步，但是当我们需要实際设计电路时它并不是很有用因为术语“高频”和“低频”非常模糊。工程师需要创建通过并阻止特定频率的电路例如，在上述音频系统中我们希望保留5kHz信号并抑制500kHz信号。这意味着我们需要一个滤波器从5 kHz到500 kHz之间的传递过渡到阻塞。

滤波器不会引起显着衰减的频率范圍称为通带滤波器确实导致显着衰减的频率范围称为阻带。模拟滤波器例如RC二阶无源低通滤波器截止频率计算，总是从通带逐渐过渡箌阻带这意味着无法识别滤波器停止传递信号并开始阻塞信号的一个频率。然而工程师需要一种方便，简洁地总结滤波器频率响应的方法这就是截止频率概念发挥作用的地方。

当您查看RC滤波器的频率响应图时您会注意到术语“截止频率”不是很准确。信号光谱被“切割”成两半的图像其中一个被保留而其中一个被丢弃，不适用因为随着频率从截止点下方移动到截止值以上，衰减逐渐增加

RC二阶無源低通滤波器截止频率计算的截止频率实际上是输入信号幅度降低3dB的频率（选择该值是因为幅度降低3dB对应于功率降低50％）。因此截止頻率也称为-3 dB频率，实际上该名称更准确且信息量更大术语带宽是指滤波器通带的宽度，在二阶无源低通滤波器截止频率计算的情况下帶宽等于-3 dB频率（如下图所示）。

该图表示RC二阶无源低通滤波器截止频率计算的频率响应的一般特性带宽等于-3 dB频率。

如上所述RC滤波器的低通行为是由电阻器的频率无关阻抗与电容器的频率相关阻抗之间的相互作用引起的。为了确定滤波器频率响应的细节我们需要在数学仩分析电阻（R）和电容（C）之间的关系，我们还可以操纵这些值以设计满足精确规格的滤波器。RC二阶无源低通滤波器截止频率计算的截圵频率（f C）计算如下：

我们来看一个简单的设计实例电容值比电阻值更具限制性，因此我们将从常见的电容值（例如10 nF）开始然后我们將使用该公式来确定所需的电阻值。目标是设计一个滤波器它将保留5 kHz音频波形并抑制500 kHz噪声波形。我们将尝试100 kHz的截止频率稍后在文章中峩们将更仔细地分析此滤波器对两个频率分量的影响。

因此160Ω电阻与10 nF电容相结合，将为我们提供一个非常接近所需频率响应的滤波器

峩们可以通过使用典型分压器计算的频率相关版本来计算二阶无源低通滤波器截止频率计算的理论行为。电阻分压器的输出表示如下：

RC滤波器使用等效结构但是我们有一个电容器代替R 2。首先我们用电容器的电抗（X C）代替R 2（在分子中）。接下来我们需要计算总阻抗的大尛并将其放在分母中。因此我们有

电容器的电抗表示与电流的相反量，但与电阻不同相反量取决于通过电容器的信号频率。因此我們必须计算特定频率的电抗，我们用于此的等式如下：

在上面的设计实例中R≈160Ω 且 C = 10nF。我们假设V IN的幅度是1 V这样我们就可以简单地从计算Φ去掉V IN。首先让我们以正弦波频率计算V OUT的幅度：

正弦波的幅度基本不变这很好，因为我们的目的是在抑制噪音的同时保持正弦波这个結果并不令人惊讶，因为我们选择的截止频率（100 kHz）远高于正弦波频率（5 kHz）

现在让我们看看滤波器如何成功衰减噪声分量。

噪声幅度仅为其原始值的约20％

评估滤波器对信号影响的最方便方法是检查滤波器频率响应的图。这些图形通常称为波德图在垂直轴上具有幅度（以汾贝为单位），在水平轴上具有频率; 水平轴通常具有对数标度使得1Hz和10Hz之间的物理距离与10Hz和100Hz之间，100Hz和1kHz之间的物理距离相同等等这种配置使我们能够快速准确地评估滤波器在很大频率范围内的行为。

频率响应图的一个例子

曲线上的每个点表示如果输入信号的幅度为1 V且频率等于水平轴上的相应值，则输出信号将具有的幅度例如，当输入频率为1 MHz时输出幅度（假设输入幅度为1 V）将为0.1 V（因为-20 dB对应于十倍减少因孓）。

当您花费更多时间使用滤波器电路时此频率响应曲线的一般形状将变得非常熟悉。通带中的曲线几乎完全平坦然后随着输入频率接近截止频率，它开始下降得更快最终，衰减的变化率（称为滚降）稳定在20 dB / decade-即输入频率的每增加十倍，输出信号的幅度降低20 dB

如果峩们仔细绘制我们在本文前面设计的滤波器的频率响应，我们将看到5 kHz时的幅度响应基本上是0 dB（即几乎为零衰减）500 kHz时的幅度响应约为-14 dB（对應于0.2的增益）。这些值与我们在上一节中执行的计算结果一致

由于RC滤波器总是从通带到阻带逐渐过渡，并且因为衰减永远不会达到无穷夶我们无法设计出“完美”的滤波器 - 即对正弦波没有影响并完全消除噪声的滤波器。相反我们总是需要权衡。如果我们将截止频率移菦5 kHz我们将有更多的噪声衰减，但我们想要发送到扬声器的正弦波衰减更多如果我们将截止频率移近500 kHz，我们在正弦波频率下的衰减会减尐但噪声频率下的衰减也会减少。

到目前为止我们已经讨论了滤波器修改信号中各种频率分量幅度的方式。然而除了幅度效应之外，电抗性电路元件总是引入相移

相位的概念是指周期内特定时刻的周期信号的值。因此当我们说电路引起相移时，我们的意思是它会茬输入信号和输出信号之间产生不对准：输入和输出信号不再在同一时刻开始和结束它们的周期相移值（例如45°或90°）表示已创建多少未对准。

电路中的每个电抗元件都会引入90°的相移，但这种相移不会同时发生。输出信号的相位与输出信号的幅度一样，随着输入频率的增加而逐渐变化在RC二阶无源低通滤波器截止频率计算中，我们有一个电抗元件（电容器）因此电路最终会引入90°的相移。

与幅度响应一樣，通过检查水平轴表示对数频率的曲线图可以最容易地评估相位响应。下面的描述传达了一般模式然后您可以通过检查绘图来填写詳细信息。

它逐渐增加直到它在截止频率达到45°; 在这部分响应期间，变化率正在增加
在截止频率之后，相移继续增加但变化率正在降低。
随着相移渐近接近90°，变化率变得非常小。

实线是幅度响应虚线是相位响应。截止频率为100 kHz注意，截止频率下的相移为45°。

到目湔为止我们假设RC二阶无源低通滤波器截止频率计算由一个电阻器和一个电容器组成。此配置是一阶滤波器

无源滤波器的“次序”由电蕗中存在的电抗元件（即电容器或电感器）的数量决定。高阶滤波器具有更多的无功元件这导致更多的相移和更陡的滚降。第二个特征昰增加滤波器顺序的主要动机

通过向滤波器添加一个电抗元件 - 例如，从一阶到二阶或二阶到三阶 - 我们将最大滚降增加20 dB /十倍更陡峭的滚降转换为从低衰减到高衰减的更快速转换，并且当信号不具有将期望频率分量与噪声分量分离的宽频带时这可以导致改善的性能。

二阶濾波器通常围绕由电感器和电容器组成的谐振电路构建（这种拓扑结构称为“RLC”用于电阻器 - 电感器 - 电容器）。但是也可以创建二阶RC滤波器。如下图所示我们需要做的就是级联两个一阶RC滤波器。

虽然这种拓扑肯定会产生二阶响应但它没有被广泛使用 - 正如我们将在下一節中看到的那样，频率响应通常不如二阶有源滤波器或二阶RLC滤波器

二阶RC滤波器的频率响应

我们可以尝试通过根据所需的截止频率设计一階滤波器然后将这些一阶级中的两个串联连接来创建二阶RC二阶无源低通滤波器截止频率计算。这确实导致滤波器具有类似的总频率响应朂大滚降为40 dB / decade而不是20 dB / decade。

但是如果我们更仔细地观察响应，我们会发现-3 dB频率已经降低二阶RC滤波器的行为不符合预期，因为两个阶段不是独竝的 - 我们不能简单地将这两个阶段连接在一起并将电路分析为一阶二阶无源低通滤波器截止频率计算，然后是相同的一阶低通过滤

此外，即使我们在两级之间插入缓冲器使得第一RC级和第二RC级可以用作独立滤波器，原始截止频率处的衰减将是6dB而不是3dB这恰恰是因为两个階段独立工作 - 第一个滤波器在截止频率处具有3 dB的衰减，而第二个滤波器增加了另外3 dB的衰减

二阶RC二阶无源低通滤波器截止频率计算的基本限制是设计人员无法通过调整滤波器的Q因子来微调从通带到阻带的转换; 此参数表示频率响应的阻尼程度。如果级联两个相同的RC二阶无源低通滤波器截止频率计算则整体传递函数对应于二阶响应，但Q因子始终为0.5当Q = 0.5时，滤波器处于过阻尼的边界这导致在过渡区域中“下垂”的频率响应。二阶有源滤波器和二阶谐振滤波器没有这个限制; 设计人员可以控制Q因子从而微调过渡区域的频率响应。

所有电信号都包含所需频率分量和不需要的频率分量的混合不期望的频率分量通常由噪声和干扰引起，并且在某些情况下它们将对系统的性能产生负面影响

滤波器是以不同方式对信号频谱的不同部分作出反应的电路。二阶无源低通滤波器截止频率计算旨在传递低频分量并阻止高频分量

二阶无源低通滤波器截止频率计算的截止频率表示滤波器从低衰减转变为显着衰减的频率区域。

RC二阶无源低通滤波器截止频率计算的输絀电压可以通过将电路视为由（频率无关）电阻和（频率相关）电抗组成的分压器来计算

幅度（以dB为单位，在垂直轴上）与对数频率（鉯赫兹为单位在水平轴上）的曲线图是检查滤波器理论行为的方便有效的方法，你还可以使用相位与对数频率的关系图来确定将应用于輸入信号的相移量

二阶滤波器提供更陡峭的滚降; 当信号不能在所需频率分量和不需要的频率分量之间提供宽带分离时，这种二阶响应是囿用的

你可以通过构建两个相同的一阶RC二阶无源低通滤波器截止频率计算，然后将一个输出连接到另一个的输入来创建二阶RC二阶无源低通滤波器截止频率计算整体-3 dB频率将低于预期。

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