想象一下，作為一名音頻工程師，剛剛錄制了整個職業生涯中最好的聲音之一，但錄音中有大量不需要的高頻噪音，而且似乎無法消除，或者是一名電氣工程師，對這些噪音感到困惑。最新整流器直流輸出中的高頻失真。盡管存在差異，這兩種情況都需要相同的解決方案，即過濾器。濾波器是一種電路，會影響通過其輸入饋送的電信號的交流內容。就音頻工程師而言，他會使用濾波器來消除錄音中的高頻噪聲，而電氣工程師會使用不同的濾波器來衰減（減少）輸出電壓中的失真。為了能夠確定要使用的過濾器類型，

感謝法國數學家約瑟夫·傅里葉的工作，現在我們知道任何周期信號都可以表示為正弦波和余弦波的組合，可以通過分析信號來確定其性質。這意味著任何給定的周期信號都可以被證明由某些頻率的正弦波和余弦波組成，并且可以影響這些單獨的頻率以改變整個信號的特性。因此，濾波器可以通過它們對信號不同頻率分量的影響來表征。最常見的類型是低通、高通、帶通和帶阻（或陷波）濾波器。

低通濾波器

顧名思義，低通濾波器允許低于某一頻率的頻率通過衰減。該點稱為濾波器的截止頻率。信號中高于截止頻率的任何頻率分量都會被衰減到某個值，該值由濾波器的構造方式決定。這種濾波器的一個簡單例子是衰減音頻波高頻分量的硬墻。這正是任何音頻的低頻音符在相鄰房間中更清晰的原因。

上圖中，通帶是指未衰減的頻段，而阻帶是指被衰減的頻段。頻率響應曲線用于表示濾波器的響應。

高通濾波器

高通濾波器允許高頻分量通過，同時衰減低頻分量。

帶通濾波器

帶通濾波器允許一段頻率通過，同時衰減其余信號。可以將其想象為高通和低通濾波器的組合，其中低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率。

帶阻濾波器

帶阻濾波器與帶通濾波器相反，帶通濾波器允許范圍之外的頻率通過，同時衰減該范圍內的頻率。與帶通濾波器一樣，它也可以想象為低通濾波器和高通濾波器的組合，低通濾波器的截止頻率低于高通濾波器的截止頻率。

周期信號有兩個方面，即增益和相位。增益是指信號的幅度，以 dB（或分貝）為單位測量。另一方面，相位與信號相對于其原始波形的時間延遲有關。這可以通過圖表更好地解釋。

盡管用于描述濾波器的語言表明它們僅衰減/增強信號的增益，但它們也會影響信號中各個頻率分量的相位。例如，低通濾波器不僅衰減高于其截止頻率的頻率，而且還反轉它們的相位。這就是濾波器具有增益和相位響應圖的原因。這些圖顯示了輸入信號頻率與由于應用濾波器而導致的增益和相位變化之間的關系。

有源和無源濾波器

無源濾波器

所有濾波器中最簡單的是僅使用電阻器、電容器和電感器構建的濾波器。此類濾波器稱為無源濾波器，因為它們是由無源元件構成的。在電子產品中，無源元件是指那些自身不產生能量的元件。它們只能耗散能量（在電阻器的情況下）或存儲能量（在電感器和電容器的情況下）。此外，它們的輸出不能使用電源來改變。例如，以下是一個簡單的RC高通濾波器的構造：

只需更改輸出連接即可實現低通濾波器，如下所示：

以下是使用 RC 網絡的簡單帶通濾波器：

請注意它是如何通過級聯高通和低通濾波器構建的：

可以使用 RL 網絡構建相同的濾波器電路。例如，RL 低通濾波器：

RC 網絡是濾波器的首選結構，因為濾波器可以在更小的占地面積內實現。即使容量很小，電感器的尺寸也很大，并且會增加系統損耗，同時也更昂貴。

盡管無源濾波器實施起來很簡單，但它也有一些缺點。例如，無源濾波器的通帶增益不為零。這意味著信號在通過無源濾波器后強度會降低。此外，當我們級聯無源濾波器來增加斜率時，它會導致幅度進一步損失，這種現象稱為“級間負載”。此外，連接到濾波器的負載可以改變其截止頻率。這些缺點導致了有源濾波器的發展。

有源濾波器

有源濾波器之所以如此命名，是因為它們是使用有源元件或為電路添加能量的元件構建的。有源元件的例子包括放大器、晶體管、振蕩器等。在濾波器中，最常用的有源元件是運算放大器或簡稱運放。濾波器電路中使用放大器來克服無源濾波器的缺點。

下圖所示為有源低通濾波器：

有源濾波器的通帶增益為 0dB，這意味著它們不會衰減通帶中的信號。它們具有高輸入和低輸出阻抗，這對應于兩個優點：一是負載阻抗不會影響濾波器的性能，二是級聯多個濾波器不會導致增益下降，或者減輕級間負載。這些特性使它們非常適合級聯。由于它們是有源器件，因此可以將它們配置為增強通帶中的信號。

有源濾波器和無源濾波器的區別

• 如上所述，有源濾波器和無源濾波器之間的主要區別在于，無源濾波器是由電阻器、電容器和電感器等無源元件構成的，而有源濾波器是由放大器等有源元件以及無源元件構成的。
• 有源濾波器需要電源才能運行，而無源濾波器則不需要。
• 無源濾波器的輸出隨負載而變化，而有源濾波器無論連接的負載如何都保持其性能。
• 無源濾波器不能對信號應用額外的增益，而有源濾波器可以。即使不應用增益，有源濾波器也會保持信號幅度，而無源濾波器則會衰減整個信號。

要點

• 濾波器是一種衰減某些頻率的電路。
• 高通濾波器衰減低于截止頻率的頻率。
• 低通濾波器衰減高于截止頻率的頻率。
• 帶通濾波器衰減兩個截止頻率之外的頻率。
• 帶阻濾波器衰減兩個截止頻率之間的頻率。
• 無源濾波器是使用電阻器、電容器和電感器等無源元件構建的濾波器。
• 有源濾波器是使用放大器等有源元件以及無源元件構建的。