使用运放的有源滤波器电路

在这篇文章中，我们全面讨论了各种形式的有源滤波电路，并了解了它们的工作原理、类型、特性和实际应用电路。

贡献者:Ken Madison

在音频信号处理电路中，滤波器用来消除不需要的频率，而只允许所需的频率。有音频高通，低通，带通，和切口或者带阻滤波器，就像我们有很多其他频率的滤波器一样。被动的,电阻电容(钢筋混凝土)过滤器是最基本的音频过滤器之一。

RC滤波器

基本的l段电阻-输入RC无源滤波器的设计如图1-a所示，其中电容C1在较低频率像开路，在较高频率像短路。

因此，这个低通滤波器接受低频信号，而拒绝(显著衰减)高频信号。在截止频率(f_c)时，该滤波器的输出将会关闭3分贝(dB)，其中:

(1) f_c= 1 /(2πRC)

如图1-b所示，当频率增加超过截止频率时，频率以6 dB/octave (20 dB/decade)的速率关闭。

结果，1 kHz低通滤波器将4 kHz输入信号削减12 dB, 10 kHz信号削减20 dB。

图2-a描述了第二个基本的无源RC滤波器，它是一个l节电容输入滤波器。在较低的频率，电容也像一个开路，而在高频率，它像一个短路。因此，这种高通滤波器允许高频信号通过，而拒绝低频信号。

根据图1-a中低通滤波器的上述公式(1)计算，该高通滤波器的输出在截止频率处降低了3 dB。当频率降低到这个阈值以下时，它以6db /倍频的速率滚转，如图2-b所示。因此，1 kHz高通滤波器将信号抑制12 dB至100 Hz。

活跃的过滤器

基本RC滤波器不能级联，因为它们的相互连接可能会对输出产生负面影响。然而，使用带运算放大器的反馈电路，这些电路可以被有效地级联。

外部电阻和电容可以用来创建活跃的过滤器以运算放大器为核心，避免使用大型电感。巴特沃斯滤波器电路图如图3所示。

这是一个二阶单位增益低通滤波器，截止频率为10khz。在通带，巴特沃斯滤波器有一个显著的平坦振幅响应，伴随着一个适度的稳定时间，和适度的超调。在10khz以上，这个电路的输出每一个八度就减少12db。例如，在100khz时，输出可能会低40db。

巴特沃斯滤波器截止频率的计算公式如下:

(2) f_c= 1 /(2.83πRC)

可以通过改变有源滤波器中电阻和电容的设置来改变截止频率。如果电阻器或电容的值是已知的，则可以调整公式(1)或(2)中的变量(如适用)，以计算出给定的截止频率。

在图3设计中，需要其中一个电容值恰好是另一个电容值的两倍，这似乎是一个小缺点。(图3中的电容C2的值是C1的两倍)。这种限制通常需要使用非标准电容值。

图4描述了一个不同的有源低通滤波器。这是一个二阶滤波器，其截止频率为10khz，解决了图3中电路的问题。

电容R4和R5的值相同。在这两张无花果中。，使用普通IC 741运放，使用电阻R1和R2, 3和4提供4.1 dB的电压增益。这些必须与图4中的数字相匹配。公式(1)可以用来得到这个“等分量”滤波器的截止频率。

图5说明了级联这些“等分量”滤波器的方法，以创建一个具有24 dB/倍频程滚转的四阶低通滤波器。

R1/R2的电阻分压器决定了电路中的增益是39khms除以5.87 khms，也就是6.644。R3/R4电位分压器使用39公斤/48.5公斤，结果值为0.805。这为电路提供了8.3 dB的总电压增益。

要得到非标准R2和R4值，可以将几个5%的标准公差电阻串联起来，以匹配指示的值。图6显示了一个二阶，100hz，单位增益高通滤波器。

R2是电阻是R1的两倍。

图7显示了过滤器的“相等组件”变体，其中R3和R4是相同的。图8显示了一个四阶高通滤波器。图6和图7中滤波器的工作频率以及图中滤波器的工作频率

图4和图5的改变方式与图2概念的工作频率的改变方式相同。你可以增加电阻和电容的值以降低截止频率，反之亦然。

图9展示了将图7中的高通滤波电路和图4中的低通滤波原理图串联起来，生成一个300hz到3.4 khz的语音带通滤波器(并适当调整部分值)的方法。

所有超出这个频率范围的频率都被拒绝12dB/倍频程。在图7所示的高通滤波器中，为了将截止频率从100hz提高到300hz，电容值是原始数字的1/3。在图4的低通滤波器中，我们将原始电阻值与2.94相乘，以将截止频率从10 kHz降低到3.4 kHz。

可调活动过滤器

最可定制的有源滤波器有一个交叉频率，可以随时和完全调整在一个大范围。图10、11和12显示了三种二阶可变有源滤波器的实际电路图。

图10的设计是图6高通滤波器的基本版本，但是它的截止频率可以通过均匀设置匹配的电位器R3和R4在23.5 Hz和700 Hz之间进行调节。

(这些可以机械地组合在一起。)因为RC网络中的电阻在这个电路中包含相等的值(不像在图6中)，这个配置并不能真正产生一个平坦的巴特沃斯滤波器特性。尽管如此，它提供了良好的信号质量。这个过滤器的“静态”版本通常有50赫兹的截止频率。

图11电路设计是图3高通滤波器的改进版本，尽管它的截止频率完全可调，从2.2 kHz到24 kHz，通过成对电位器R3和R4的不断调整。(这些也可以组合在一起。)这个过滤器，如图10所示，并没有真正显示出最平坦的Butterworth特征。

这种有源滤波器设计实际上是一个优秀的刮擦噪声去除滤波器。这种滤波器的“固定”版本的截止频率一般是10khz。图12描述了将图10和11中的滤波器耦合起来产生一个灵活的、可调节的高通/低通滤波器的方法，用于消除声音音频中的隆隆声和刮擦噪声。

低通和高通截止频率都是完全可调的。通过均匀地改变匹配的(或组合的)电位器R6和R7，高通截止频率可以从23.5 Hz调整到700 Hz。R8和R9的低通频率也可能改变在2.2 kHz到24 kHz之间。

音调控制电路

音频音调控制电路可能是最常见的可调滤波器电路．这使得单元的频率响应能够被调整以满足特定的听觉需求或感觉。它们还可以根据周围环境的声学异常进行调整。

在下面的段落中，我们将讨论一些基本的音调控制原理和电路，然后再考虑实际的音调控制电路。

一个基本的无源、低音、音调控制网络如图13-a所示。在20到20000赫兹的音频范围内，该电路可以增强或减少(削减)低频。

与微调电位器R3(向下)相邻的垂直双端箭头表示壶滑块旋转获得升压(上)和切割的方向。

图13-b至图13-d分别将电位器R3调至最高升压、最高切断和平压时的电路。一旦频率被设定在最小低音值，电容器C1和C2是完全开路的。因此，升压电路与10千hm电阻除以101千hm电阻成正比，如图13-b所示。

只有少量的低音被衰减了。相比之下，图13 -c切割等效电路相当于一个110千欧姆电阻除以一个1.0千欧姆电阻。因此低音信号被削弱了大约40分贝。图13-d显示了电位器R3的平置。

在这种设置中，可以看到电阻元件位于壶滑块上方90公里处，下方10公里处。一个100千欧姆的电阻被一个11千欧姆的电阻所分割，就产生了上述的配置。

在所有频率中，这个电路产生大约20分贝的衰减。因此，与平坦频率相比，该电路能够提供最大低音升压或降低约20 dB。

无源高音音调控制配置的典型设计如图14-a所示。在20至20,000 kHz的频率范围内，系统能够有效放大或降低高音频频率。图14-b至13d分别在最佳升压、最佳降压和平稳运行条件下显示了技术上相同的电路。

当R3在平面位置移动时，该电路提供约20 dB的信号衰减，与电路的平面性能相比，最高可能的高音、升压或降低值为20 dB。

图15说明了通过互连图13a和14a中的电路来提供全面的无源低音和高音音调控制配置的方法。

为了避免电路不同部分之间不希望的相互作用，在网络中引入了一个10千hm的电阻R5。该电路的输出可以馈送到一次功率放大器的输入端，而输入端可以直接从放大器的音量控制端获得。