電濾波器是一種電路，旨在抑制電信號(hào)中所有不需要的頻率分量，并僅允許所需的頻率。換句話說(shuō)，濾波器是只允許特定頻帶的電路。

在許多應(yīng)用中，電容濾波器比電感濾波器使用得更多，因?yàn)?a target="_blank">電感器會(huì)產(chǎn)生一些雜散磁場(chǎng)并消耗一些功率。不僅有這些缺點(diǎn)，而且由于在電路中使用電感器，濾波器變得笨重。

在前面的教程中，我們研究了濾波器和無(wú)源低通濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)?，F(xiàn)在讓我們看看無(wú)源高通RC濾波器的操作。

無(wú)源高通濾波器

無(wú)源高通濾波器類(lèi)似于無(wú)源低通濾波器。當(dāng)電容和電阻位置在低通濾波器的電路中互換時(shí)，電路表現(xiàn)出高通濾波器的行為。電容器與電阻串聯(lián)。輸入電壓串聯(lián)施加到電容，但輸出僅沿電阻兩端吸收。

高通濾波器允許高于截止頻率“fc”的頻率，并阻擋較低頻率的信號(hào)。截止頻率的值取決于為電路設(shè)計(jì)選擇的元件值。這些高通濾波器在 10 MHz 的高頻范圍內(nèi)具有許多應(yīng)用。

高通濾波器的電路如下所示。

由于電路中元件的這種互換，電容提供的響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，這些變化與低通濾波器的響應(yīng)完全相反。

低頻時(shí)的電容器就像開(kāi)路，而在較高頻率下，這意味著在高于截止頻率的頻率下，電容器就像短路一樣。由于電容器的容抗，電容器將阻止進(jìn)入電容器的較低頻率。

我們知道，電容器本身會(huì)反對(duì)通過(guò)它的一定量的電流，以便在電容器的電容范圍內(nèi)結(jié)合。截止頻率后，由于容抗值的降低，電容器允許所有頻率。這使得當(dāng)輸入信號(hào)頻率大于截止頻率fc時(shí)，電路將整個(gè)輸入信號(hào)傳遞到輸出端。

在較低頻率下，電抗值增加，因此當(dāng)電抗增加時(shí)，反對(duì)流過(guò)電容器的電流的能力增加。低于截止頻率的頻率帶稱為“阻帶”，截止頻率之后的頻率帶稱為“通帶”。

在上述電路中只有一個(gè)帶電阻的電抗元件，這表明該電路是一階電路。

高通濾波器的頻率響應(yīng)

關(guān)于頻率和容抗的響應(yīng)曲線如下：

該響應(yīng)曲線表明，高通濾波器與低通濾波器完全相反。在高通濾波器中，直到截止頻率，所有低頻信號(hào)都被電容器阻擋，導(dǎo)致輸出電壓降低。

在截止頻率點(diǎn)，電阻“R”的值和電容“X_c”的電抗相等，因此輸出電壓以-20 dB/十倍頻程的速率增加，輸出信號(hào)電平為輸入信號(hào)電平的-3 dB。

在非常高的頻率下，容抗變?yōu)榱?，然后輸出電壓與Vout = Vin的輸入電壓相同。在低頻下，容抗是無(wú)窮大的，因此輸出電壓為零，因?yàn)殡娍箷?huì)阻止電流進(jìn)入電容器。

高通濾波器的輸出在截止頻率下相對(duì)于輸入信號(hào)的相移角（?）為+45°。這表明高通濾波器的輸出是參考輸入信號(hào)的引線。在高頻（f > fC）下，相移幾乎為零，這意味著輸入和輸出信號(hào)都是同相的。

在理想情況下，濾波器將允許截止頻率點(diǎn)后的頻率達(dá)到無(wú)窮大，但實(shí)際上無(wú)窮大值取決于濾波器設(shè)計(jì)中使用的分量值。

電容器對(duì)極板進(jìn)行充電和放電所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)于輸入信號(hào)會(huì)導(dǎo)致相位差。與電容器串聯(lián)的電阻將產(chǎn)生充放電效果。

串聯(lián)RC電路的時(shí)間常數(shù)定義為電容器充電至最終穩(wěn)態(tài)值的63.2%所花費(fèi)的時(shí)間，也定義為電容器放電至穩(wěn)態(tài)值的36.8%所花費(fèi)的時(shí)間。這由符號(hào)“τ”表示。時(shí)間常數(shù)和截止頻率之間的關(guān)系如下

時(shí)間常數(shù) τ=RC= 1?2πfc 和 ω_c= 1/τ = 1/RC。

由此可以清楚地看出，濾波器的輸出取決于施加在輸入端的頻率和時(shí)間常數(shù)。

截止頻率和相移

截止頻率或斷點(diǎn) 'fc' = 1/ 2πfc

相移 （?） = tan-1（2πfRc）

高通RC濾波器輸出電壓和增益

高通濾波器示例

我們考慮一個(gè)電容值為82 pF、電阻值為240 kΩ的高通濾波器。通過(guò)這些值，我們可以計(jì)算濾波器的截止頻率

fC= 1/（2πRC） = 1 / （2π x 240 x 103x 82 x 10-12） = 8.08 kHz

二階無(wú)源高通濾波器

通過(guò)級(jí)聯(lián)兩個(gè)一階高通濾波器，我們得到了二階高通濾波器。由于它由兩個(gè)電抗元件組成，這意味著兩個(gè)電容器，因此使電路成為秒階。該兩級(jí)濾波器的性能與單級(jí)濾波器相同，但濾波器的斜率在-40 dB/十倍頻程處獲得。

這是因?yàn)榻刂诡l率變化。與單級(jí)高通濾波器相比，它的效率更高，因?yàn)樗袃蓚€(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)。對(duì)于兩級(jí)濾波器，截止頻率取決于兩個(gè)電容器和兩個(gè)電阻的值。具體如下

fc= 1/ （2π√（R1C1R2C2）） 赫茲

無(wú)源高通濾波器摘要

高通濾波器允許頻率大于截止頻率到無(wú)窮大。在實(shí)際情況下，無(wú)窮大不會(huì)退出，因此該無(wú)窮大值取決于電路設(shè)計(jì)中使用的組件。

高通濾波器允許的頻率帶稱為“通帶”，該通帶只不過(guò)是濾波器的帶寬。濾波器衰減的頻率帶稱為“阻帶”。

截止頻率是使用上面顯示的公式“fc”計(jì)算的。輸出信號(hào)的相移以+45°的角度領(lǐng)先于輸入信號(hào)。輸出電壓取決于時(shí)間常數(shù)和施加到電路的輸入頻率。

與低通濾波器相比，高通濾波器消除的失真更準(zhǔn)確，因?yàn)殡娐分惺褂玫念l率很高。

高通RC差分器

對(duì)于普通正弦波輸入，濾波器的性能就像一階高通濾波器一樣 但是，當(dāng)我們應(yīng)用不同類(lèi)型的信號(hào)而不是正弦波（如方波）時(shí)，方波等時(shí)域響應(yīng)（如階躍或脈沖）作為輸入信號(hào)，則電路的行為類(lèi)似于微分器電路。

輸入的導(dǎo)數(shù)與電路輸出成正比的電路，稱為微分器電路。

因此，當(dāng)常量輸入施加到電路時(shí)，輸出變?yōu)榱悖驗(yàn)槌?shù)的導(dǎo)數(shù)趨于零。

RC差分電路如下所示。

對(duì)于方波輸入信號(hào)，輸出波形顯示為持續(xù)時(shí)間較短的脈沖。對(duì)于一個(gè)完整的輸入周期，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)具有正脈沖和負(fù)脈沖的尖峰信號(hào)。

在此過(guò)程中，輸出信號(hào)的幅度不會(huì)發(fā)生變化。如果輸入信號(hào)頻率增加，則輸出端的脈沖寬度增加。尖峰脈沖的衰減速率取決于時(shí)間常數(shù)。

高通濾波器的應(yīng)用

• 它們?cè)?a target="_blank">音頻放大器電路中用作高音單元型信號(hào)的高頻率的一部分，通過(guò)阻斷低低音信號(hào)。
• 這些用作隆隆聲濾波器，以阻止附近不需要的信號(hào)并在揚(yáng)聲器中傳遞所需的信號(hào)。
• 它們用于交流耦合電路和差分器電路。
• 在每個(gè)通道條的混合過(guò)程中，添加了這些高通濾波器。
• 在圖像處理中，高通濾波器用于需要高增強(qiáng)濾波器的取消銳化過(guò)程。
• 在圖像處理中，可以在時(shí)域或頻域中降低噪聲。因此，結(jié)合低通濾波器，這些高通濾波器用于增強(qiáng)、抑制噪聲和修改圖像處理中的圖像。
• 在電話應(yīng)用中，它們用于DSL分路器，并結(jié)合低通濾波器。