为什么需要二阶滤波器(开荒篇)
电路一点通 2025-05-16

为什么需要使用二阶滤波器呢?因为在一阶滤波器中超过截止频率的部分衰减幅度比较小,在有些情况并满足不了我们的需求。一阶滤波器的增益通常是每过10倍频为-20dB,而二阶滤波器可以达到-40dB。在相同信号的情况下,相比一阶,二阶可以把该信号的增益降到更低。


简单有源二阶

首先我们来看一阶滤波器的仿真图

根据幅频特性曲线来看,该低通滤波器的截止频率在1.6khz左右,运放在此刻做的是电压跟随器的作用,没有放大倍数的作用。

(截止频率计算公式:1/2ΠRC 不懂的可以去这里看,这里有详细的说明)滤波器初步入门(非常全面)-CSDN博客

我们来看看二阶滤波器的设计仿真结果

可以看到过渡带的曲线明显比一阶滤波器的更加陡了,也就是衰减的幅度更大了,但是出现了一个新的问题,就是原来的截止频率的衰减也会更多,从-3dB增大到-9dB了,此刻的截止频率就从原来的1.6khz到500多hz了。(如下图)

根据推算得出以下结果

这个简单二阶滤波器的截止频率会变成原来一阶滤波器的0.37倍。

为了截止频率不要衰减的那么快,尽量保持在原先的截止频率,于是新加了一个正反馈,对这个电路进行一个改进。

压控电压源二阶LPF

该电路的优点是可以把想要输出的频率进行指定额外的放大输出,而且可以不影响其他频率的增益

如下图(低通)

当f在指定频率时放大增益为20dB,而通带和过渡带的频率因为运放的影响增益为(1+R4/R2),两者互不影响。(这里的f是1/2ΠRC)

过渡带会受到这个放大倍数影响

品质因素决定了这个指定频率的放大倍数,但品质因素和放大倍数不是直接关系

品质因素

右上角为品质因素公式,Aup是通带放大倍数,当21,此时当Aup越接近于3时,品质因素越大放大倍数越大,当Au=2时,Q=1,放大倍数为通带的放大倍数。当1

当2

当Au=2时

当1

R1R2阻值要调高点,因为现实中电阻有误差,电阻太小一点误差就会导致增益出现很大的变化

如果不用放大信号的话,该电路的放大信号会增加一些不稳定因素。可以降上面电路改进一下,将Q设成1,也就是变成电压跟随器,并改一下其中一个电容的大小。

简化的二阶低通滤波

该电路的截止频率如图

仿真图,上面是改进后的电路,下面是最简单的二阶滤波器

他们两个的差别在于用同样的元器件,加了正反馈的电路可以获得更大的带宽。


二阶高通滤波电路

相比低通就是R3去接在运放的输出端


带通滤波器

如果要设置一个带通滤波器(300hz~3k),那么就可以用低通和高通组成,低通的截止频率要在3k,高通的截止频率为300hz。

这是一个放大倍数为1的带通滤波器。

单电源运放(以上面的带通滤波器为示例)


此电路需要在输入加入一个偏置电压,注意加偏置电压时候要与输入信号之间加一个电容(10uf)


偏置电压也可以这样加,本来电阻为15k,但将两电阻并联后也等于15k使用可以等效替换,如何再加入电压中间就会有4.5V的分压,由于前面本身就有电容所以不用额外在加一个。


总结:相对一阶电路来说,二阶的过渡带更为陡峭,能满足一些需求,二阶分简单和压控电压源二阶(有放大和无放大),他们的区别是简答的截止频率会比一阶的低很多,在元器件选型时可能更加麻烦,所以通常使用压控电压源二阶。

补充:

下面以低通滤波器来说明他们是如何划分的:

过渡带的频率曲线比较陡峭,通频带的曲线有明显变化

当频率响应曲线在过渡带比较缓和,且通频带没有明显波动时



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