如何在實(shí)際電路中使用帶通濾波器

每個(gè)模擬設(shè)計(jì)師的噩夢(mèng)都是處理電路中的噪聲。當(dāng)涉及到開關(guān)電路或音頻放大器或頻率信號(hào)電路時(shí)，電路很可能會(huì)受到噪聲信號(hào)的影響。在從電路中去除噪聲的許多方法中，最常用的一種稱為濾波器電路。顧名思義，該電路將從實(shí)際信號(hào)中濾除不需要的信號(hào)（噪聲）。濾波器電路有很多種，但最常用和最有效的一種是帶通濾波器，它可以使用一對(duì)電阻器和電容器輕松構(gòu)建。因此，在本教程中，我們將了解此帶通濾波器、其背后的理論以及如何在實(shí)際電路中使用它。

什么是帶通濾波器？

帶通濾波器電路/設(shè)備用于僅允許一組預(yù)定義的頻率通過它。它將過濾掉所有低于設(shè)定值和高于設(shè)定值的頻率。它是高通濾波器和低通濾波器的組合。只允許高于它的頻率的濾波器稱為高通濾波器，只允許低于它的頻率的濾波器稱為低通濾波器?？梢酝ㄟ^級(jí)聯(lián)高通和低通濾波器來獲得帶通濾波器。它在音頻放大器電路和無線收發(fā)器中有著巨大的應(yīng)用，揚(yáng)聲器必須只播放所需的一組頻率而忽略其余部分。

有兩種類型的帶通濾波器。如果電路涉及某種外部電源（有源器件），如晶體管等，則該電路稱為有源帶通濾波器，如果電路不涉及任何有源元件且僅由電阻器、電容器和電感器等無源元件組成，則該電路稱為無源帶通濾波器。在本文中，我們將詳細(xì)討論無源帶通濾波器。除此分類外，本文將簡(jiǎn)要介紹過濾器可以分類的其他方面。

帶通濾波器電路

如前所述，我們將討論使用電阻器和電容器構(gòu)造的無源帶通濾波器。它是高通濾波器和低通濾波器的組合。一個(gè)簡(jiǎn)單的無源帶通濾波器的示例電路圖如下所示。

電路的前半部分是一個(gè)高通濾波器，它過濾低頻并只允許高于設(shè)置的高截止頻率（fc HIGH）的頻率。這個(gè)高截止頻率的值可以使用公式計(jì)算

fc高= 1 / 2 π*R1*C1

電路的后半部分是低通濾波器電路，它過濾較高的頻率，只允許低于設(shè)定的低截止頻率（fc LOW）的頻率?？梢允褂霉接?jì)算低截止頻率的值

fc低= 1 / 2 π*R2*C2

這種類型的濾波器電路被稱為二階濾波器，因?yàn)樗袃蓚€(gè)電阻器和兩個(gè)電容器。帶通濾波器可以是二階濾波器或更高階濾波器，因?yàn)殡娐返恼＿\(yùn)行至少需要兩個(gè)電阻器和電容器?，F(xiàn)在，當(dāng)向該濾波器提供輸入信號(hào)頻率時(shí)，它會(huì)輸出高于 fc LOW 且低于 fc HIGH 的頻率。換句話說，輸出頻率可以由fc HIGH- fc LOW給出，位于該區(qū)域之間的頻率稱為帶寬。因此，濾波器的帶寬可以計(jì)算為

帶寬 = fc HIGH- fc LOW

帶通濾波器的頻率響應(yīng)

2階無源帶通濾波器的頻率響應(yīng)又名波特圖曲線如下所示。

該圖是針對(duì) X 軸的輸入頻率和 Y 軸的輸出分貝繪制的。當(dāng)輸入頻率小于較低的截止頻率（f-low）時(shí)，輸出保持小于-3dB，當(dāng)超過該頻率時(shí)，輸出達(dá)到最大值并保持在那里，直到頻率超過較高的截止頻率（f-高）。輸出增益保持最大的峰值稱為諧振頻率。它只是上限較高截止頻率和較低截止頻率的幾何平均值。計(jì)算公式如下

諧振頻率 （Fr） = √（f - 低 * f - 高）

較低截止頻率和較高截止頻率之間的距離稱為帶寬。因此，只有在帶寬限制范圍內(nèi)，才允許輸入頻率通過。

帶通濾波器的實(shí)際例子

讓我們構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的帶通濾波器來濾除一組頻率并檢查它的實(shí)際工作原理。我在本教程中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下所示

如您所見，高通濾波器是使用電容器 0.1uF （C1） 和電阻器 1K （R1） 構(gòu)成的。因此，該電路的較高截止頻率將是

fc高= 1 / 2π*R1*C1

= 1/（2*3.17*1*10^3*0.1*10^-6）

=1577 赫茲

低通濾波器由電容器 470pF （C2） 和電阻器 87K （R2） 構(gòu)成。該電路的下限截止頻率可以計(jì)算如下

fc低= 1 / 2π*R2*C2

= 1/（2*3.14*8.7*10^3*470*10^-12）

=7280赫茲

從上面的計(jì)算我們可以推斷出電路將只允許 1577 Hz 到 7280 HZ 范圍內(nèi)的頻率，任何小于或大于此的頻率都將被我們的帶通濾波器濾除。讓我們通過在面包板上構(gòu)建電路來檢查是否相同。我的測(cè)試設(shè)置如下所示

為了測(cè)試電路，我們需要一個(gè)函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生頻率可以控制的信號(hào)頻率。因?yàn)槲覜]有，所以我決定使用我的手機(jī)，它有一個(gè)安卓應(yīng)用程序，可以通過我的 3.5 毫米耳機(jī)插孔生成所需的頻率。然后使用如上所示的插孔將該信號(hào)作為輸入頻率提供給電路。

為了檢查我使用示波器測(cè)量輸入信號(hào)頻率的應(yīng)用程序的依賴性，發(fā)現(xiàn)生成頻率很容易。下圖顯示了我手機(jī)上的應(yīng)用程序，它產(chǎn)生大約 4，819 Hz 的輸入頻率，連接到它的示波器顯示信號(hào)并測(cè)量 4.816 KHz 的頻率，這是完美的。

現(xiàn)在，我們可以將示波器連接到電路的輸出信號(hào)并改變輸入頻率。該電路將允許在 1500 到 7000 之間的所有頻率顯示在示波器上，而其他頻率將被過濾掉或產(chǎn)生噪音。另請(qǐng)記住，該電路僅用于理解目的，因此在實(shí)際應(yīng)用之前需要進(jìn)行改進(jìn)。此外，由于電路是在面包板上構(gòu)建的，因此輸出信號(hào)可能會(huì)吸收一些噪聲，請(qǐng)將電容器盡可能靠近并減少其引線的長(zhǎng)度以減少問題。