三种典型滤波特性和开关电容滤波器
滤波器基本知识
有源滤波器Active Filter(信号分离电路) 测量系统从传感器拾取的信号往往包含噪声和许多与被测量无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其它处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从面影响测量精度。
这些噪声一般随机性很强，很难从时域中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定规律分布于频率域中某一特定频带中。
滤波器（信号分离电路）：从频域中实现对噪声的抑制，提取所需要的信号，是各种测控系统中必不可少的组成部分。
对滤波器的要求：(1)滤波特性好；(2)级联特性好(输入，输出)；(3)滤波频率便于改变滤波器举例：心电信号的滤波：主要受到50Hz的工频干扰，采用50Hz陷波(带阻)滤波器。
一.滤波器的基本知识⒈按处理信号的形式分类：模拟:连续的模拟信号(又分为：无源和有源)数字：离散的数字信号。
⒉理想滤波器对不同频率的作用：通带内，使信号受到很小的衰减而通过。
阻带内，使信号受到很大的衰减而抑制，无过渡带。
⒊按频谱结构分为5种类型：滤波器对信号不予衰减或以很小衰减让其通过的频段称为通带；对信号的衰减超过某一规定值的频段称为阻带；位于通带和阻带之间的频段称为过渡带。
根据通带和阻带所处范围的不同，滤波器功能可分为以下几种：低通(Low Pass Filter)高通(High Pass Filter)带通(Band Pass Filter)带阻(Band Elimination Filter)全通(All Pass Filter)（理想）各种频率信号都能通过，但不同的频率信号的相位有不同的变化，一种移相器。
图2-2 按频谱结构分类的各种滤波器的衰减（1-幅频）特性几个定义：(1)通带的边界频率：一般来讲指下降—3dB即对应的频率。
(2)阻带的边界频率：由设计时，指定。
(3)中心频率：对于带通或带阻而言，用f0或ω0表示。
(4)通带宽度：用Δf0或Δω0表示。
(5)品质因数：衡量带通或带阻滤波器的选频特性。
电路中的滤波器了解滤波器的种类和应用领域
电路中的滤波器了解滤波器的种类和应用领域电路中的滤波器——了解滤波器的种类和应用领域滤波器是一种常见的电路元件，用于过滤电路中的信号，使得特定频率范围内的信号通过，而削弱或排除其他频率范围的信号。
滤波器在电子设备和通信系统中具有广泛的应用。
本文将介绍滤波器的种类和应用领域。
一、低通滤波器低通滤波器允许低于截止频率的信号通过，而削弱高于截止频率的信号。
其频率特性曲线被称为“低通滤波特性”。
低通滤波器常用于音频放大器、功放、音响系统等设备中，以去除高频噪声，使音频信号更加纯净。
二、高通滤波器高通滤波器允许高于截止频率的信号通过，而削弱低于截止频率的信号。
其频率特性曲线被称为“高通滤波特性”。
高通滤波器常用于扬声器系统、无线通信系统中，以去除低频噪声，增强高频信号的传输。
三、带通滤波器带通滤波器允许特定频率范围内的信号通过，而削弱其他频率范围的信号。
其频率特性曲线呈现出中间一段较高的增益区域，被称为“带通滤波特性”。
带通滤波器常用于无线电接收器、音频设备等，以选择性地提取特定频率范围内的信号。
四、带阻滤波器带阻滤波器允许特定频率范围外的信号通过，而削弱特定频率范围内的信号。
其频率特性曲线呈现出中间一段较低的增益区域，被称为“带阻滤波特性”。
带阻滤波器常用于无线电发射器、噪声干扰抑制等场合，以削弱或屏蔽特定频率范围内的干扰信号。
五、应用领域1.音频设备领域：滤波器在音频设备中起到重要作用。
通过低通滤波器，可以削弱或排除音频信号中的高频噪声，提高音质；通过高通滤波器，可以削弱或排除低频噪声，增强高频信号的传输。
2.无线通信系统：滤波器用于调制和解调电路中，以去除频域外的干扰信号。
例如，在收音机中使用带通滤波器选择性地接收特定频率范围内的广播信号。
3.电源滤波：滤波器常用于电源供应中，以去除电源信号中的纹波（AC信号），保证电源的稳定性和纯净性。
4.图像处理：在图像处理中，滤波器用于增强或削弱特定频率的图像信号。
开关电容滤波器详解
图 6 幅频响应曲线
2、在实际开关电路中输入幅值 100mv，频率分别为 500Hz，1kHz，5kHz 的的正弦波信号，
C4 20p
得到三个暂态响应如分别下图 7、图 8、图 9。
图 7
500Hz 时的暂态响应
图 8
1kHz 时的暂态响应
图 9
5kHz 的暂态响应
可以看到 500kHz 时， 输出信号幅值约为 100mv， 没有衰减。 1kHz 时， 输出信号幅值约为 700mv， 衰减了大约-3db。5kHz 时，输出信号的幅值只有 20mv 左右，衰减了很多。另外 5kHz 时可 以明显看到输出波形中有明显台阶， 这是因为在 100kHz 的开关频率下， 输入 5kHz 的正弦波， 则每个周期只包含 20 个台阶，所以看起来很明显，输入正弦波频率越低，则每个周期包含 的台阶数越多，看起来越不明显。注意以上的结果只是在一阶的情况下，如果将多个一阶滤 波器串联则可以得到高阶滤波器。这里将 4 个一阶滤波器串联，输入一个 1kHz 的方波验证 其滤波效果，如下图 10。v(3)~v(6)，分别是 1~4 阶滤波器的滤波输出，v(2)是输入的方波。 可以发现，滤波器的阶数越高，输出的波形越接近正弦波。
图 10
正弦波滤波效果验证
四、感想 通过此次作业我学会了写电路网表、使用 hspice，复习了开关电容的相关知识，增进了 对电路的理解。在不断修改电路参数的过程中，我体会到了模拟电路设计中的魅力 ----在不 断取舍中获取最佳的效果。例如开关如果采用传输门的形式它的导通电阻会比单个 nmos 管 小很多，且宽长比越大，导通电阻越小，但是这会带来更大的寄生电容，且后者对电路的影 响更大。因此在反复实验后我选择了最小宽长比的 nmos 作为开关。同样，如果取开关的工 作频率越高，每个正弦波周期里包含的台阶也会越多，但过高的开关频率，对 nmos 管的开 关速度带来了考验，因此最后折衷选取了 100kHz 的开关频率。
电源滤波详细解析
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。
无涯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，全波整流桥式整流的输出电压的脉动系数S≈0.67。
对于全波和格式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S=1/(4(RLC/T-1)。
（To整流输出的直流动电压的周期。
）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。
并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。
而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。
各种滤波电容
各种滤波电容电容器是一种常见的电子元器件，用于存储和释放电荷。
在电路中，电容器主要用于滤波电路中。
滤波电容是一种用于滤波作用的电容器，常见的滤波电容有低通滤波电容、高通滤波电容、带通滤波电容和带阻滤波电容等。
下面将介绍这些滤波电容的原理和应用。
1.低通滤波电容低通滤波电容是一种用于降低高频信号传输的电容器。
其工作原理是将信号中的高频成分滤除，只传递低频信号。
低通滤波电容常常与电阻串联使用，形成RC低通滤波电路。
在RC低通滤波电路中，电容器以高阻抗的方式对高频信号进行阻断，而对低频信号则具有较低的阻抗，在电路中起到降低高频成分的作用。
2.高通滤波电容高通滤波电容是一种用于降低低频信号的电容器。
其工作原理是将信号中的低频成分滤除，只传递高频信号。
高通滤波电容也常常与电阻串联使用，形成RC高通滤波电路。
在RC高通滤波电路中，电容器以低阻抗的方式对低频信号进行通过，而对高频信号则具有较高的阻抗，从而达到降低低频成分的目的。
3.带通滤波电容带通滤波电容是一种用于滤除特定频率范围内的信号的电容器。
其工作原理是通过串联的形式将特定频率范围内的信号通过，而滤除其他频率的信号。
带通滤波电容常常与电感器结合使用，形成LC带通滤波电路。
在LC带通滤波电路中，电容器对频率接近其共振频率的信号呈低阻抗，从而将其通过，而对其他频率的信号呈高阻抗，从而滤除。
4.带阻滤波电容带阻滤波电容是一种用于滤除特定频率范围内的信号的电容器。
其工作原理是通过并联的形式将特定频率范围内的信号滤除，而传递其他频率的信号。
带阻滤波电容常常与电感器结合使用，形成LC带阻滤波电路。
在LC带阻滤波电路中，电容器对频率接近其共振频率的信号呈高阻抗，从而将其滤除，而对其他频率的信号呈低阻抗，从而通过。
在实际应用中，滤波电容广泛应用于各种电子设备和电路中。
例如，低通滤波电容常用于音频设备中，用于滤除高频噪声，使音频信号更加清晰。
高通滤波电容常用于通信设备中，用于滤除低频干扰，提高通信质量。
常见的滤波器类型及其特点
常见的滤波器类型及其特点滤波器是一种用于处理信号的电子设备或电路元件，它可以通过选择特定频率范围内的信号来增强或抑制信号。
在电子通信、音频处理、图像处理和数据处理等领域中，滤波器起着至关重要的作用。
本文将介绍几种常见的滤波器类型及其特点。
一、低通滤波器（Low-pass filter）低通滤波器允许低频信号通过，同时抑制高频信号。
常见的低通滤波器包括RC低通滤波器、RL低通滤波器和Butterworth低通滤波器等。
1. RC低通滤波器：RC低通滤波器由电阻（R）和电容（C）组成，可以通过调整RC的数值来改变滤波效果。
该滤波器主要用于对音频信号和直流信号进行滤波，具有简单、成本低、频率响应平滑的特点。
2. RL低通滤波器：RL低通滤波器由电阻（R）和电感（L）组成，主要用于信号的衰减和频率分析。
相较于RC低通滤波器，RL滤波器具有更好的频率稳定性和阻尼特性。
3. Butterworth低通滤波器：Butterworth低通滤波器为典型的滤波器设计，具有平坦的幅频响应曲线和最小幅度损失，但转折点的陡度较低。
常用于音频信号和通信信号的滤波。
二、高通滤波器（High-pass filter）高通滤波器允许高频信号通过，同时抑制低频信号。
常见的高通滤波器包括RC高通滤波器、RL高通滤波器和Butterworth高通滤波器等。
1. RC高通滤波器：RC高通滤波器与RC低通滤波器相似，但输入和输出信号的位置交换。
该滤波器可以保留高频信号，并适用于去除直流信号。
2. RL高通滤波器：RL高通滤波器也与RL低通滤波器类似，具有良好的阻抗匹配和频率特性。
常用于音频处理和电信号分离。
3. Butterworth高通滤波器：Butterworth高通滤波器与Butterworth 低通滤波器相似，但是其功能相反。
它可用于音频信号的滤波和高频噪声去除。
三、带通滤波器（Band-pass filter）带通滤波器可以选择特定的频率范围内的信号，并抑制其他频率的信号。
5v开关电源滤波
5v开关电源滤波
在设计5V 开关电源时，滤波是一个重要的考虑因素，以确保输出电压平稳、干净，减小电源中的噪声。
以下是一些常见的滤波技巧：电容滤波：在输出端并联一个电容器，用于吸收高频噪声并稳定输出电压。
电容的容值和类型取决于电源的设计要求。
电容器的电压容量应大于电源的最大输出电压。
电感滤波：在输出端串联一个电感，用于过滤高频噪声。
电感值的选择和电源设计有关，通常用于对抗开关电源产生的高频涟漪。
磁珠滤波器：在电源线中串联一个磁珠，用于抑制高频噪声。
磁珠是一种具有高阻抗的器件，适用于高频滤波。
LC滤波器：使用电感和电容的组合构成LC 滤波器，以滤除电源中的高频噪声。
这种方法在开关电源设计中较为常见。
RC滤波器：串联一个电阻和电容组成RC 滤波器，用于去除高频噪声。
虽然对于开关电源来说，RC 滤波器的效果较差，但在某些情况下仍然有用。
线性稳压器：在开关电源输出之前使用线性稳压器，它能够提供额外的滤波效果，并确保输出电压的稳定性。
这对于对电源纹波和噪声要求较高的应用可能很有用。
在选择滤波元件和配置时，需要根据具体的应用需求、负载特性和电源设计参数来调整。
建议参考相关的开关电源设计手册，并进行必要的仿真和测试以确保设计的性能和稳定性。
电路中的滤波器有哪些类型
电路中的滤波器有哪些类型在电路中，滤波器是一种用于削弱或消除特定频率的信号的设备。
滤波器可以被广泛应用于音频设备、通信系统和电子测量设备中。
根据不同的工作原理和频率特性，滤波器可以被分为多种类型。
本文将介绍电路中常见的几种滤波器类型。
一、低通滤波器低通滤波器是一种允许低于截止频率的信号通过的滤波器。
它主要用于过滤高频噪音和干扰信号，使得只有低频信号能够通过。
低通滤波器在音频处理、功放电路以及无线通信等领域得到广泛应用。
常见的低通滤波器有电容滤波器和RC低通滤波器。
二、高通滤波器高通滤波器与低通滤波器相反，它允许高于截止频率的信号通过，而抑制低频信号。
高通滤波器主要用于滤除低频噪声和直流偏置信号。
在音频设备中，高通滤波器常用于音乐播放器和话筒等设备中，以滤除低频背景噪音。
常见的高通滤波器包括电感滤波器和RC高通滤波器。
三、带通滤波器带通滤波器可以选择一定频率范围内的信号通过，而削弱其他频率范围内的信号。
带通滤波器常用于音频设备中的频率调节，使得用户可以选择想要的频率范围。
带通滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器两种类型。
无源滤波器主要由电容、电感和电阻等被动元件组成，而有源滤波器则引入了放大器等主动元件。
四、带阻滤波器带阻滤波器与带通滤波器相反，它主要用于抑制一定频率范围内的信号，而允许其他频率范围的信号通过。
带阻滤波器常用于陷波、降噪和频率选择等应用中。
常见的带阻滤波器有陷波器和巴特沃斯带阻滤波器。
五、全通滤波器全通滤波器的作用是通过保持信号的幅度和相位特性，不改变信号的频率组成。
全通滤波器在音频信号处理和通信系统中起到重要作用。
常见的全通滤波器有比例性滤波器和相位平移滤波器。
六、数字滤波器数字滤波器是一种基于数字信号处理技术设计和实现的滤波器。
它以数字信号作为输入和输出，并通过数字算法对信号进行滤波处理。
数字滤波器具有灵活性高、精度高以及易于实现等优点，在数字音频处理、通信系统、雷达系统等领域得到了广泛应用。
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9.3.3 一阶开关电容低通滤波器
1
2
SW3
SW4 C2
1
2
C
ui
SW1
SW2
C1
A
uo
R2
C
ui R1
A
uo
一阶开关电容滤波器及其等效电路
设 R1
TCP , C1
R2
TCP C2
Au
s
UO s UI s
R2 R1
1 1 sR2C
C1 C2
1 1 sTCP
2. 三种频率响应函数的比较
切比雪夫型低通滤波器的幅频响应:
H ( )
1
1 2Cn2 ( )
切比雪夫多项式
2< 1
c是-3dB的截止频率
/ c
切比雪夫型滤波器以引入通带起伏为代价，使过渡带曲 线下降的斜率最大化。在给定过渡带截止速率的情况下，切 比雪夫滤波器虽然在通带内的曲线产生了一定幅度的振荡， 但是可以用低于巴特沃斯滤波器的阶次来实现，从而降低了 电路的复杂性和成本。
S1断
S2断
S1通
S2断
S1断
S2断
S1断
S2通
9.3.1 开关电容模拟电阻
1 S1
u1
2 S2
当开关S1闭合，S2断开时，
C
u2 u1对C充电。
充电电荷 Q1 Cu1 。
1
S1
u1
C
2
当开关S2闭合，S1断开时，
S2
C放电。
u2
放电电荷Q2 Cu2 。
设开关的周期为TCP，节点从左到右传输的总电荷为： Q Cu C(u1 u2 )
滤波器过渡带的幅频特性越陡峭，这种失真越严重。
描述滤波器瞬态特性的主要参数有群延迟、阶跃响 应和冲激响应。
4. 滤波器的瞬态特性
Uo/V 0.5
0.4
贝塞尔 巴特沃斯
0.3 切比雪夫
0.2
0.1
0
-0.1
4
8
12 t /s
三种滤波器的冲激响应
9.3 开关电容滤波器
9.3.1 开关电容模拟电阻
开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关、电 容器和运算放大器三部分组成。开关电容电路的特性仅与 各电容器电容量之比的准确性有关，而与电容器的精度无 关。在集成电路中，可以获得准确性很高的电容比。
2. 三种频率响应函数的比较
贝塞尔型低通滤波器的传递函数:
H (s) Bn (0) Bn (s)
n是滤波器的阶数
贝塞尔多项式
n
Bn (s) bisi i0
bi
(2n i)! 2n-i i!(n i)!
与巴特沃斯型滤波器相比，贝塞尔型滤波器的频率特性 稍差一些，过渡带衰减缓慢，但它在通带内产生接近线性的 相位特性，因而具有良好的瞬态特性。
2. 三种频率响应函数的比较
巴特沃思型低通滤波器的幅频响应:
H ( )
1
1 2 2n
n是滤波器的阶数
是决定最大通带起伏量的常数
/ c
c是-3dB的截止频率
巴特沃思型低通滤波器在通带内的频率特征是平坦无凹 凸的，并且在允许条件下可得到最大带宽。因此，巴特沃思 滤波器具有最大平坦特性，其阶数n越高，滤波响应曲线越 逼近理想模型。
工艺的1%左右。
9.3.2 一阶RC低通环节
1
S1
Ui
C1
2
S2 C2
开关电容低通滤波器
两相时钟1和2的频率
fCP 远大于输入信号 U i 的频 率，开关电容单元等效为电
Uo 阻：
R TCP C1
R
时间常数：
RC2
C2 C1
TCP
+
+
Ui _
C2
Uo _
通带截止频率：f P
1
2π
C2 C1
fCP
9.3.2 一阶RC低通环节
fP
1
2π
C2 C1
fCP
时钟频率
电容量之比
通带截止频率
稳定、准确
当时钟频率一定时，通带截止频率取决于电容比，而与 电容的绝对值无关。集成工艺制作的MOS电容比的精度优 于0.01%，温度系数小于10ppm/℃。所以集成开关电容滤波 器的截止频率准确度高且稳定性好。
1
u1(t)
1
SW1
2
2
SW2
C
u2(t)
开关电容模拟电阻
1
t
2
TCP
t TCP
时钟驱动信号
9.3.1 开关电容模拟电阻
1
u1(t)
1
SW1
2
2
SW2
C
u2(t)
1
S1
uI
C
2
S2
uo
基本开关电容电路
1
t
2
TCP
t TCP
由两相时钟1和2控制开关
S1、S2。
模拟开关S1和S2的动作规律：
C C2
9.3.4 集成开关电容滤波器MAX260
MAX260是美国 MAXIM 公司生产的程控滤波器芯片，
可以通过微处理器编程控制滤波器的传递函数，不需要外接
元件即可构成低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，简化
了有源滤波器的设计过程。
MAX260芯片内含两个独立的 二阶开关电容滤波单元，每个滤波 单元的中心频率f0、品质因数Q及工 作模式均可由程序设置。通过编程 可以设置64种f0、128个Q值及四种 工作模式。芯片内部两个独立的滤 波单元分别用A、B 表示。
9.3.1 开关电容模拟电阻
等效电流：
i
Q TCP
C TCP
(u1
u2 )
如果时钟脉冲的频率fCP足够高，在一个时钟周期内两 个端口的电压可认为基本不变，则基本开关电容单元就可
以等效为一个电阻：
R u1 u2 TCP 1
i
C CfCP
开关电容的优点：利用MOS工艺控制开关电容的大 小，即可制作大阻值的电阻，使用的硅片面积只是传统
贝塞尔型低通滤波器幅频特ຫໍສະໝຸດ 的仿真4. 滤波器的瞬态特性
——与滤波器传递函数的相频特性有关，瞬态特性表示 滤波器输入非正弦波信号时的响应
滤波器会产生一个与频率有关的相位偏移，如果相 位与频率之间是线性关系，那么滤波器仅使信号延时一 个常量；反之，若相位的变化是非线性的，即不同的频 率成分有不同的相移，则非正弦信号通过这种滤波器时 会产生严重的相位失真。
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性
上述三种类型的滤波器并不是拓扑结构不同的电路， 实际上它们是同一电路在不同参数配置下得到的不同响应 函数。以三阶压控型LPF为例，电路如图所示。
R
R
R
A
uI
C1
C2
C3
uO
三阶压控型低通滤波器
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为1kHz，R=1k， C1 0.13926μF C2 0.35468μF C3 0.02025μF
巴特沃思型低通滤波器幅频特性的仿真
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性
设截止频率为1kHz，R=1k， C1 0.30140μF C2 2.6937μF
C3 0.01451μF
切比雪夫型低通滤波器幅频特性的仿真
3. 三阶压控型低通滤波器的幅频特性 设截止频率为1kHz，R=1k， C1 0.05647μF C2 0.08136μF C3 0.01451μF