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滤波电路分析

发布时间:2012-11-23

滤波电路分析
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。

电容滤波电路分析
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。
 
滤波电路分析
滤波电路分析

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。
 
滤波电路分析

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。
 
高通有源滤波电路分析

 
滤波电路分析

上图中的下半部红线框中的电路中,电容C1虽然通高频,但它是在OP3的负反馈回路,所以整体电路来说不是有源高通滤波,而是有源低通滤波电路。这部分实际是一个零点(中点)漂移补偿(Offset Compensation)电路。
 
OP3与电容C1、电阻R5构成积分放大电路,放大倍数A=1/(2*π*f*C1*R5),频率越高,放大倍数越小,所以是个低通电路。对于直流的放大倍数很高,等于OP3的开环增益。
 
OP2的输出通过R5进入OP3的反相输入端,其直流电位与Vref的差值被OP3高倍反相放大后,回馈给OP2,实际是强负反馈,使OP2修正输出的直流电位,保持与Vref(中点电位)相同。OP3的高增益可使OP2微小的直流偏移得到放大和补偿。

 
其中的C1和R5的选取主要考虑OP2输入交流信号的频率和反馈环路的响应速度,一般使(2*π*f*C1*R5)>10~1000,R5可在100K~1M范围选取。其中R3的选取主要考虑对正端输入阻抗的影响,可在10K~1M范围取值。
 
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。
 
滤波电路分析

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。
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