有源低通滤波器

先前我们描述了无源低通滤波器，在本教程中，我们将探讨什么是有源低通滤波器。

什么是电路，公式，曲线？

从上一教程中我们知道，无源低通滤波器可与无源组件一起使用。无源低通滤波器电路的关键或核心只有两个无源元件电阻和电容。我们在先前的教程中了解到，无源低通滤波器的工作没有任何外部中断或有源响应。但是它有一定的局限性。

无源低通滤波器的局限性如下：

电路的阻抗造成幅度损失。因此，Vout始终小于Vin。
仅使用无源低通滤波器无法进行放大。
滤波器的特性在很大程度上取决于负载阻抗。
增益始终等于或小于单位增益。
滤波器级数或滤波器阶数增加，幅度损失变小。

由于此限制，如果需要放大，则添加有源元件的最佳方法是放大滤波后的输出。该放大由运算放大器或运算放大器完成。由于这需要电压源，因此它是一个有源组件。因此名称为有源低通滤波器。

典型的放大器从外部电源汲取功率并放大信号，但它具有高度的灵活性，因为我们可以更灵活地更改频率带宽。同样，用户或设计者可以选择根据要求选择哪种类型的有源组件。它可以是Fet，Jfet，晶体管，运算放大器，其中包括很多灵活性。如果为批量生产产品设计组件，则组件的选择还取决于成本和有效性。

为了简化，提高时间效率以及运放设计中不断发展的技术，通常将运放用于有源滤波器设计。

让我们看看为什么我们应该选择和运算放大器来设计一个有源低通滤波器：

高输入阻抗。

由于高输入阻抗，因此无法破坏或更改输入信号。通常或在大多数情况下，如果将其用作低阻抗电路，则振幅很低的输入信号可能会被破坏。在这种情况下，运算放大器具有优势。
组件数量很少。只需要几个电阻。
根据增益，电压规格，可以使用各种类型的运算放大器。
低噪声。
易于设计和实施。

但是，据我们所知，没有什么是完美的，这种有源滤波器的设计也有一定的局限性。

输出增益和带宽以及频率响应取决于运算放大器的规格。

让我们进一步探索并了解它的特殊之处。

有源低通滤波器，具有放大功能：

在了解运放的有源低通滤波器设计之前，我们需要了解一些有关放大器的知识。Amplify是一个放大镜，它会复制我们看到的内容，但会以更大的形式显示出来，以更好地识别它。

在无源低通滤波器的第一个教程中，我们了解了什么是低通滤波器。低通滤波器滤除低频并阻塞交流正弦信号中较高的一个。该有源低通滤波器的工作方式与无源低通滤波器相同，只是区别在于这里增加了一个额外的元件，它是一个运放放大器。

这是简单的低通滤波器设计：

这是有源低通滤波器的图像。这里的违规线向我们展示了我们在上一教程中看到的传统无源低通RC滤波器。

截止频率和电压增益：

截止频率公式与无源低通滤波器中使用的公式相同。

fc = 1 /2πRC

如前一教程所述，fc是截止频率，R是电阻值，C是电容器值。

连接在运算放大器正节点中的两个电阻是反馈电阻。当这些电阻连接在运算放大器的正节点时，称为同相配置。这些电阻负责放大或增益。

我们可以使用以下等式轻松计算放大器的增益，其中可以根据增益选择等效电阻值，反之亦然：-

放大器增益（直流幅度）（Af）=（1 + R2 / R3）

频率响应曲线：

让我们看看有源低通滤波器或Bode图/频率响应曲线的输出是什么：

这是运放同相配置中有源低通滤波器的最终输出。我们将在下一张图片中看到详细的说明。

如我们所见，这与无源低通滤波器相同。从起始频率到Fc或频率截止点或转折频率将从-3dB点开始。在此图像中，增益为20dB，因此截止点位于fc点处的截止频率为20dB-3dB = 17dB。斜率为每十年-20dB。

不管滤波器是什么，从起点到截止频率点都称为滤波器的带宽，此后称为通带，允许通过该通带。

我们可以通过转换运算放大器的电压增益来计算幅度增益。

计算如下

分贝= 20log（Af）

通过计算电阻值或将Vout除以Vin，该Af可以是我们之前描述的Dc增益。

同相和反相放大器滤波电路：

开头所示的有源低通滤波器电路也有一个局限性。如果信号源阻抗发生变化，其稳定性可能会受到影响。例如减少或增加。

一种标准的设计实践可以提高稳定性，从输入端移除电容器并将其与运算放大器的第二反馈电阻器并联。

这是电路同相有源低通滤波器，

在此图中，如果将其与开头所述的电路进行比较，我们可以看到电容器的位置因阻抗相关的稳定性而改变了。在这种配置中，外部阻抗对电容器的电抗没有影响，因此提高了稳定性。

在相同的配置上，如果我们想将输出信号反相，则可以选择运算放大器的反相信号配置，并可以将滤波器与该反相运算放大器相连。

这是反相有源低通滤波器的电路实现：

它是反相配置的有源低通滤波器。运算放大器反向连接。在上一节中，输入跨接运算放大器的正输入引脚，而运算放大器的负引脚用于构成反馈电路。在这里，电路反转了。正极输入端与地基准点相连，电容器和反馈电阻器跨运算放大器负极输入端相连。这称为反相运算放大器配置，输出信号将比输入信号反相。

单位增益或电压跟随器有源低通滤波器：

到目前为止，这里描述的电路用于电压增益和后置放大目的。

我们可以使用单位增益放大器来实现，这意味着输出幅度或增益将与输入相同：1x。Vin = Vout。

更不用说，它也是一种运放配置，通常被称为电压跟随器配置，其中运放创建了输入信号的精确副本。

让我们看一下电路设计，以及如何将运算放大器配置为电压跟随器并使单位增益有源低通滤波器：-

在该图中，运算放大器的反馈电阻被移除。运算放大器的负输入引脚代替电阻器直接与输出运算放大器相连。该运算放大器配置称为电压跟随器配置。增益是1倍。它是单位增益有源低通滤波器。它将产生输入信号的精确副本。

计算实例

我们将设计一个非反相运算放大器配置的有源低通滤波器电路。

规格：

输入阻抗10kohms
收益将是10倍
截止频率为320Hz

让我们先计算一下值，然后再制作电路：-

放大器增益（直流幅度）（Af）=（1 + R3 / R2）（Af）=（1 + R3 / R2）Af = 10

R2 = 1k（我们需要选择一个值；我们选择R2作为1k以减少计算的复杂性）。

通过将价值放在一起，我们得到

（10）=（1 + R3 / 1）

我们计算出第三个电阻的值为9k。

现在我们需要根据截止频率来计算电阻器的值。由于有源低通滤波器和无源低通滤波器以相同的方式工作，因此频率截止公式与以前相同。

让我们检查电容器的值，如果截止频率为320Hz，我们选择的电阻值为4.7k。

fc = 1 /2πRC

通过将所有价值汇总在一起，我们得到：

通过解决这个问题，我们得到的电容值约为106nF。

下一步是计算增益。增益公式与无源低通滤波器相同。增益或幅度的dB公式如下：

20log（Af）

当运算放大器的增益为10倍时，以dB为单位的幅度为20log（10）。这是20dB。

现在我们已经计算了值，现在该构建电路了。让我们加总并构建电路：-

我们根据之前计算的值构造了电路。我们将在有源低通滤波器的输入端提供10Hz至1500Hz的频率和每十倍频点10个点，并将进一步研究放大器的输出端的截止频率是否为320Hz。

这就是频率响应曲线。绿线从10Hz到1500Hz开始，因为仅在该频率范围内提供输入信号。

众所周知，转折频率始终是最大增益幅度的-3dB。增益为20dB。因此，如果我们发现-3dB点将获得滤波器停止较高频率的确切频率。

我们将光标设置在17 db处的转折频率为（20dB-3dB = 17dB），得到317.950Hz或318Hz，接近320Hz。

我们可以将电容值更改为通用电容值100nF，更不用说拐角频率也会受到几赫兹的影响。

二阶有源低通滤波器：

可以在一个运放上添加更多滤波器，例如二阶有源低通滤波器。在这种情况下，就像无源滤波器一样，需要添加额外的RC滤波器。

让我们看看二阶滤波器电路是如何构建的。

这是二阶过滤器。在上图中，我们可以清楚地看到两个过滤器加在一起。这是二阶滤波器。它是一种广泛使用的滤波器，在工业应用中是功率放大器，功率放大前的音乐系统电路。

如您所见，有一个运放。电压增益与先前使用两个电阻器所说明的相同。

（Af）=（1 + R3 / R2）

截止频率为

要记住的一件有趣的事情是，如果我们想添加更多的由一阶滤波器组成的运算放大器，则增益将乘以每个个体。困惑？可能是原理图会帮助我们。

运算放大器添加的越多，增益乘积就越大。参见上图，在此图像中，两个运算放大器与各个运算放大器级联。在该级联运算放大器中，如果第一个放大器的增益为10倍，第二个放大器的增益为5倍，则总增益为5 x 10 = 50倍。

因此，在两个运算放大器的情况下，级联运算放大器低通滤波器电路的幅度为：

分贝= 20log（50）

通过求解这个方程，它是34dB。因此，级联运算放大器低通滤波器增益公式的增益为

TdB = 20log（Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn）

TdB =总幅度

这就是有源低通滤波器的构造方式。在下一个教程中，我们将看到如何构造有源高通滤波器。但是在下一个教程之前，让我们看看有源低通滤波器的应用是什么：-

应用领域

有源低通滤波器可用于由于增益或放大过程的限制而无法使用无源低通滤波器的多个地方。除此之外，有源低通滤波器还可以在以下地方使用：

低通滤波器被广泛应用于电子电路中。

有源低通滤波器的一些应用：

功率放大前的低音均衡
与视频相关的过滤器。
示波器
音乐控制系统和低音频率调制以及低音扬声器和高低音音频扬声器用于低音输出。
函数发生器在不同的电压电平下提供可变的低频输出。
从不同的波改变频率形状。