本文主要討論低通和高通響應(yīng)。后續(xù)系列文章還將討論帶通和陷波（帶阻）響應(yīng)、全通響應(yīng)以及濾波器的脈沖與階躍響應(yīng)。

 

回顧以前的文章可知，有源濾波器的傳遞函數(shù)可以被看作是濾波器傳遞函數(shù)和放大器傳遞函數(shù)的級聯(lián)響應(yīng)（圖1）。

 

圖1. 以兩個級聯(lián)的傳遞函數(shù)的形式表示的濾波器。

 

低通傳遞公式

 

首先，我們再看一下傳遞公式的相位響應(yīng)。

 

對于單極點低通濾波器，傳遞函數(shù)的相移等于：

 

  (1)

 

其中ω代表角頻率（ω = 2π f 弧度每秒，1 Hz = 2π 弧 度 每 秒），ω0代表濾波器的弧度 中心頻率。中心頻率也可被看作是截止頻率。就相位 而言，中心頻率是相移在整個范圍一半處的頻率。由于角頻率用在比值公式中，因此f/f0完全可以代替ω/ω0。

 

圖2（左軸）是在中心頻率以下二十倍頻到中心頻率以上二十倍頻范圍內(nèi)對公式1的 求值 結(jié)果。由于單 極 點低 通濾 波器 具 有90°的相移范圍—從0°至90° —中心頻率的相移為-45°。當ω = ω0時，歸一化中心頻率等于1。

 

圖2. 中心頻率為1的單極點低通濾波器（左軸）和高通濾波器（右軸）的相位響應(yīng)

 

同樣，單極點高通濾波器的相位響應(yīng)等于

 

  (2)

 

圖2（右軸）是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范 圍內(nèi)對公式2的求值結(jié)果。中心頻率 (=1) 的相移等于+45°。

 

如果低通通帶定義為截止頻率以下的頻率，高通通帶定義為中心頻率以上的頻率，那么最小相移（0°至45°）應(yīng)在通帶內(nèi)。反之，最大相 移（45°至90°）發(fā)生在阻帶內(nèi)（頻率高于低通截止頻率并且低于高通截止頻率）。

 

在低通情況下，濾波器輸出滯后于輸入（負相移）；在高通情況下，輸出領(lǐng)先于輸入（正相移）。圖3顯示了相關(guān)波形：輸入正弦波信號（中間曲線），截止頻率為1k H z 的單極點高通濾波器輸出信號（頂部曲線），截止頻率為1k H z的單極點低通濾波器輸出信號（底部曲線）。信號頻率也是1k H z—兩個濾波器的截止頻率。圖中波形領(lǐng)先和滯后45°顯而易見。

 

圖3. 輸入（中間曲線）、單極點高通濾波器輸出（頂部曲線）和低通濾波器輸出（底部曲線）。

 

二階低通濾波器傳遞函數(shù)的相移可以近似表示為:

 

  (3)

 

圖4（左軸）是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范 圍內(nèi)對公式3的求值結(jié)果（代入α= √2 = 1.414）。這里的中心頻率等于1，相移為-90°。

 

圖4. 中心頻率為1 的雙極點低通濾波器（左軸）和高通濾波器（右軸）的相位響應(yīng)

 

在公式3中，α是濾波器的阻尼比，等于Q的倒數(shù)（即Q = 1/α）。它決定了幅度（和瞬態(tài)）響應(yīng)中的峰值和相位變化的尖銳度。α等于1.414很 好地表征了雙極點巴特沃斯（最大平坦度）響應(yīng)。

 

雙極點高通濾波器的相位響應(yīng)可以被近似表示為：

 

  (4)

 

圖4（右軸）是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范 圍內(nèi)對公式4的求值結(jié)果(α=1.414)。在中心頻率(=1) 點，相移為90°。

 

圖2和圖4只使用了一條曲線，這是因為高通和低通相位響應(yīng)是相似的，只是相移分別是90°和180° （π/2和π弧度）。這等效于相位符號的改變，導(dǎo)致低通濾波器輸出滯后而高通濾波器領(lǐng)先。

 

在實際使用中，高通濾波器其實是一個寬帶帶通濾波器，因為放大器的響應(yīng)至少會引入一個低通單極點。

 

圖5是雙極點低通濾波器的相位響應(yīng)和增益響應(yīng)，圖中給出了不同Q值時的曲線。這個傳遞函數(shù)表明，相位變化遍布在相當寬范圍的頻 率上，而變化的范圍與電路Q值呈反比關(guān)系。雖然本文主要討論相位響應(yīng)，但相位變化率和幅度變化率之間的關(guān)系也值得我們認真思考。

 

圖5. 作為Q函數(shù)的雙極點低通濾波器電路的相位和幅度響應(yīng)。

 

值得注意的是，每級雙極點電路提供最大180°的相移，在極端情況下，相移–180°，雖然滯后360°，但這個角度與180°相移具有相同的屬 性?；谶@個原因，多級濾波器的傳遞函數(shù)圖形經(jīng)常在一個限定范圍內(nèi)，比如180°至–180°，以提高圖形讀取的準確性（見圖9和圖11）。 在這種情況下，我們必須認識到，圖形上的角度實際上是真正的角度加上或減去m×360°。雖然在這種情況下圖形的頂部和底部會出 現(xiàn)不連續(xù)（因為圖形變化了±180°），但實際相位角度的變化是平滑和單調(diào)的.

 

圖6給出了不同Q值下雙極點高通濾波器的增益和相位響應(yīng)。這個傳遞函數(shù)表明，180°的相位變化可以發(fā)生在很大的頻率范圍內(nèi)，而變 化的范圍反比于電路Q值。另外值得注意的是，曲線的形狀非常類似。 特別是相位響應(yīng)具有相同的形狀，只是覆蓋范圍不同。

 

圖6. 作為Q 函數(shù)的雙極點高通濾波器的相位與幅度響應(yīng)。

 

放大器傳遞函數(shù)

 

放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)基本上就是單極點濾波器的傳遞函數(shù)。如果是反相放大器，效果上等同于插入180°的額外相移。放大器的閉 環(huán)相移通常被忽略，但如果它的帶寬不夠的話，將影響復(fù)合濾波器的總傳遞函數(shù)。本文選用了A D822進行濾波器仿真。 A D822將影響復(fù)合濾波器的傳遞函數(shù)，但只是在較高頻率處，因為它的增益和相移保持在比濾波器本身的轉(zhuǎn)折頻率高得多的頻率。從數(shù)據(jù)手冊上摘錄 的AD822開環(huán)傳遞函數(shù)見圖7。

 

圖7. A D822 增益和相位波特圖。

 

例1：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器

 

下面舉一個1k Hz、5極點、0.5dB的切比雪夫低通濾波器例子進行討論。選擇這個特定例子的原因如下：

 

1) 與巴特沃斯濾波器不同，切比雪夫濾波器各級電路的中心頻率是完全不同的，這樣能使圖形上的曲線伸展得更開一些，使得圖形更加有趣。

 

2) 電路的Q值一般要高一點。

 

3) 奇數(shù)個極點可以突出單極點和雙極點電路之間的區(qū)別。

 

濾波器部分采用ADI網(wǎng)站上提供的濾波器設(shè)計向?qū)нM行設(shè)計。

 

這部分電路的f0和Q見下表：

 

圖8是整個濾波器的原理圖。所選擇的濾波器拓撲— 多反饋 (M F B)—又是任意的，這種選擇使得單極點部分是一個有源積分器，而不是簡單緩沖的無源RC電路。

 

圖8. 1kHz、5 極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器。

 

圖9給出了整個濾波器的各級電路的相移。圖上顯示了單獨第一級電路（第1級 — 藍 色）、前面兩級電路（第1和第2級 — 紅色）和整個 濾波器（第1、第2和第3級—綠色）的相移。這些相移包含了濾波器部分的基本相移、每個反相放大器貢獻的180°相移和放大器頻率響應(yīng)對總相移的影響。

 

圖9. 圖8 所示1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器的相位響應(yīng)。

 

讓人感興趣的一些細節(jié)：首先，作為凈滯后的相位響應(yīng)是負相加的。 由于在低頻段放大器的倒相，第一個雙極點電路開始相位是–180°（=180°以360°為模），在高頻段增加到–360°（=0°以360°為模）。第 二級電路增加另外一次倒相，開始相位是–540°（=180°以360°為模），在高頻段相位增加到–720°（=0°以360°為模）。第三級電路在低頻 段的相位開始于–990°（=180°以360°為模），在高頻段增加到–990°（=90°以360°為模）。另外需要注意，當頻率超過10k H z 時，由于放大器的頻率響應(yīng)，相位將發(fā)生輕度的滾降。這種滾降是累積的，每級電路都會有所增加。

 

例2：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器

 

第二個例子（見圖10）考慮的是一個1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器的相位響應(yīng)。在這個例子中，濾波器采用S allen-Key 壓控電壓源(VC V S) 電路而不是多反饋 (M F B) 進行設(shè)計（仍使用濾波器設(shè)計向 導(dǎo)）。雖然是任意選擇的，但VCVS 只需要每級雙極點電路兩個電容，不像MFB中的每級電路三個電容，而且前兩級電路是同相的。

 

圖 10：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器。

 

圖11給出了濾波器中每級電路的相位響應(yīng)。第一級電路相移開始于低頻段的180°，高頻段下降到0°。第二級電路在低頻段增加了180°，開始于 360°（=0°以360°為模），在高頻段下降到0°。第三級電路增加了一次倒相，開始于低頻段的–180°+90°=-90°，在高頻段下降到–540°（= –180°以360°為模）。請再次注意，由于放大器的頻率響應(yīng)，在高頻 段會有額外的滾降發(fā)生。

 

圖11：圖10 所示1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器的相位響應(yīng)。

 

結(jié)束語

 

本文討論了低通和高通濾波器的相移特性。這個系列中的前一篇文章介紹了相移與濾波器拓撲之間的關(guān)系，在后續(xù)文章中，我們還將 討論帶通、陷波和全通濾波器—最后，我們會對所有內(nèi)容進行回顧，并介紹相移將如何影響濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)，同時討論群延時、脈沖響應(yīng)和階躍響應(yīng)。

 

附錄

 

單極點和雙極點的低通和高通濾波器的通用傳遞函數(shù)見公式A1到公式A4。

 

單極點低通濾波器的傳遞函數(shù)：

 

  (A1)

 

其中 s = jω and ω0 = 2πf0.

 

雙極點有源低通濾波器的傳遞函數(shù)：

 

(A2)

 

其中 HO 是這級電路增益。

 

單極點高通濾波器的傳遞函數(shù)：

 

  (A3)

 

雙極點有源高通濾波器的傳遞函數(shù)：

 

  (A4)

 

1k Hz、0.5dB 切比雪夫低通濾波器的f0和Q值如下：

 

 

 

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