滤波器分析、设计及测量.doc

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1、射频电路训练实习滤波器的设计与制作一、了解低通、高通、带通、带阻滤波器的工作原理。二、了解低通、高通、带通、带阻滤波器的电路结构。三、实际设计制作低通、高通、带通、带阻滤波器。顾名思义滤波器的用途就是用来过滤信号，选择部分信号予以通过；至于信号的通过与否取决于信号的频率，滤波器可分为低通滤波器(Low-passFilter,LPF)、高通滤波器(High-passFilter,HPF)、带通滤波器(BandpassFilter,BPF)，与带阻滤波器(Band-rejectFilter,BRF)等四种，本章将介绍滤波器的主要参数和原理，并分别设计出

2、低通、高通与带通滤波器。图7-1为低通、高通、带通和带阻滤波器的理想幅频响应曲线，但由于选用的元件及特性各不相同，故设计的实际滤波电路的特性与理想值会有相当大的差距，而两者的差异必须用适当的特性参数来修正，并作为设计滤波电路的依据。图7-2所示为一个带通滤波器的实际幅频响应，用以说明相关的特性参数。　　　　　　　　　　(a)低通滤波器　　(b)高通滤波器　　　　　　　　　　(c)带通滤波器　　(d)带阻滤波器图7-1理想滤波器的频率响应图7-2带通滤波振幅频率响应一、滤波器的重要参数1.介入损耗(InsertionLoss)：设在信号源与负载端的间

3、不加滤波电路，应当可在负载端取得一定的输出值。但是将滤波电路加入后，在负载端的输出信号值，即使是在通带区内，也会比原本的输出低，二者的差异即为介入损耗。因为电抗性组件中包含了电阻，它是产生介入耗损的主要来源。2.通带纹波(PassbandRipple)：用以测量通带区内的平坦度者，定义为在通带区内最大衰减值与最小衰减值的差。不同的电路结构如切比雪夫和巴特沃思等结构，会产生有不同的纹波值。3.通带频宽(PassbandWidth)：简称为频宽(Bandwidth)，一般都以3dB点为截止频率来确定。图7-2所示为两端3dB点的间的频率范围()。4.波

4、形因数(ShapeFactor)：用以测量在通带区以外，与截止区相交接处的衰减程度，其表示滤波电路通带区两侧的陡削度。定义为衰减60dB处的频宽()，与3dB衰减处的频宽()的比值。波形因数SF为：(7-1)1.最终衰减(UltimateAttenuation)：是为滤波电路在截止区内的最大衰减。由于电子元件的特性，实际的滤波电路，都无法提供最大的截止区衰减>100dB，一般约在50至70dB。2.品质因数(QualityFactor,Q)：品质因数是描述滤波器选择度(Selectivity)的一项参数。一般而言，其定义为组件中的平均最大储能比上每

5、一个周期损耗的能量；或是可以用简单的中心频率(CenterFrequency)比上3dB频宽(3dBBandwidth)的比值作为品质因数的定义。(7-2)其中为中心频率；为3dB频宽。3.群延迟(GroupDelay)：群延迟的定义为单位信号相位()的变化量与信号角频率()的变化量的比值：(7-3)其中为信号的相位；信号角频率。二、低通滤波器的工作原理一个可以让DC至的信号频率通过而抑止高于的信号频率的电路，其所呈现出的特性就是低通滤波器的特性，如图7-1(a)所示。我们知道当频率极低时，电感就像零阻抗组件，而电容则像阻抗无限大的开路；相反地，当

6、频率极高时，电感就像阻抗无限大的开路，电容则是零阻抗组件。所以最简单的低通滤波器如图7-3(a)所示，高频信号因电感的高阻抗而被反射，即使有部分的信号通过电感，也会被电容导往接地区(Ground)。而其传递函数(TransferFunction)可表示为：(a)L-C型低通滤波器(b)C-L型低通滤波器图7-3低通滤波器(7-4)其中同理可知，图7-3(b)也是低通滤波器。在图7-3所示的低通滤波器中，由于是用两个无源元件所组成，故称为二阶滤波器。同理，滤波器可由多个电容电感组件所组成，而形成三阶、四阶…，甚至十阶滤波器。1.巴特沃思滤波器巴特沃思

7、滤波器(ButterworthFilter)的特性是在其通带(Passband)内有最佳的平坦度，所以巴特沃思滤波器亦称为最佳平坦度滤波器；但其在截止带(Stopband)内会有纹波的现象，且过渡频带(TransitionBand)的衰减变化也不够陡峭。图7-4所示为一个典型的巴特沃思低通滤波器的频率响应，而描述巴特沃思滤波器的数学式为：dB(7-5)其中代表衰减量；代表设计滤波器时，在所需的衰减量；代表3dB频宽或截止频率(CutoffFrequency)。一般而言，当时，必须等于3，所以。图7-5所示为由式(7-5)所获得的巴特沃思滤波器衰减特

8、性图。图7-4巴特沃思低通滤波器的频率响应图7-5巴特沃思滤波器衰减特性图在设计巴特沃思滤波器的前，我们需依据设计规格的需