低通滤波器

根据定义，低通滤波器是一种电路，低频信号容易通过，高频信号难通过。有两种基本类型的电路能够实现这一目标，每种电路都有许多变体：（下图）中的电感式低通滤波器和（下图）中的电容式低通滤波器。

电感式低通滤波器

电感低通滤波器

电感的阻抗随着频率的增加而增加。这种串联的高阻抗往往会阻止高频信号到达负载。这可以通过 SPICE 分析来证明：（下图）

电感式低通滤波器 v1 1 0 ac 1 sin l1 1 2 3 加载 2 0 1k .ac 林 20 1 200 .plot ac v(2) 。结尾 

电感式低通滤波器的响应随着频率的增加而下降。

电容低通滤波器

电容低通滤波器

电容器的阻抗随着频率的增加而降低。这种与负载电阻并联的低阻抗往往会使高频信号短路，从而降低串联电阻器 R1 上的大部分电压。 （下图）

电容低通滤波器 v1 1 0 交流 1 罪 r1 1 2 500 c1 2 0 7u 加载 2 0 1k .ac 林 20 30 150 .plot ac v(2) 。结尾 

电容低通滤波器的响应随着频率的增加而下降。

电感式低通滤波器是简单性的巅峰之作，滤波器仅由一个组件组成。该滤波器的电容版本并没有那么复杂，只需一个电阻和电容即可运行。

然而，尽管它们增加了复杂性，但电容滤波器设计通常比电感更受欢迎，因为电容器往往是比电感器“更纯”的无功元件，因此它们的行为更可预测。 “纯”是指电容器比电感器几乎没有电阻效应，使它们几乎 100% 无功。

另一方面，电感器通常表现出显着的耗散（类似电阻器）效应，包括用于制造它们的长导线和磁芯材料的磁损耗。

与电感器相比，电容器也往往较少参与与其他组件的“耦合”效应（通过相互电场或磁场产生和/或接收来自其他组件的干扰），并且更便宜。

然而，AC-DC电源通常首选电感式低通滤波器，以滤除交流转换（整流）为直流时产生的交流“纹波”波形，仅通过纯直流分量。

造成这种情况的主要原因是此类电源的输出需要低滤波电阻。电容式低通滤波器需要与源串联的额外电阻，而电感式低通滤波器则不需要。

在直流电源等大电流电路的设计中，不需要附加串联电阻，电感式低通滤波器是更好的设计选择。

另一方面，如果在电源设计中，轻量化和紧凑尺寸比低内部电源电阻更重要，那么电容低通滤波器可能更有意义。

截止频率

所有低通滤波器都具有一定的截止频率 .即，输出电压低于输入电压的 70.7% 时的频率。这个 70.7 的截止百分比并不是随意的，尽管乍一看似乎如此。

在简单的电容/电阻低通滤波器中，它是电容电抗（以欧姆为单位）等于电阻（以欧姆为单位）时的频率。在一个简单的电容低通滤波器（一个电阻，一个电容）中，截止频率为：

将上次 SPICE 仿真中的 R 和 C 值插入到这个公式中，我们得到了 45.473 Hz 的截止频率。然而，当我们查看 SPICE 仿真生成的绘图时，我们看到负载电压远低于源电压（1 伏）的 70.7%，即使频率低至 30 Hz，低于计算的截止点。

怎么了？这里的问题是 1 kΩ 的负载电阻会影响滤波器的频率响应，使其偏离公式告诉我们的情况。如果没有负载电阻，SPICE 会生成一个波德图，其数字更有意义：（下图）

 电容低通滤波器 v1 1 0 交流 1 罪 r1 1 2 500 c1 2 0 7u * 注意：无负载电阻！ .ac 林 20 40 50 .plot ac v(2) 。结尾 

对于 R =500 Ω 和 C =7 µF 的电容性低通滤波器，输出在 45.473 Hz 时应为 70.7%。

fcutoff =1/(2πRC) =1/(2π(500 Ω)(7 µF)) =45.473 Hz

在处理滤波器电路时，务必注意滤波器的响应取决于滤波器的元件值和 负载的阻抗。如果截止频率方程没有考虑负载阻抗，则它假设没有负载，并且无法给出实际滤波器向负载传导功率的准确结果。

低通滤波器的应用

电容低通滤波器原理的一项常见应用是设计具有对电“噪声”敏感的组件或部分的电路。如上一章开头所述，交流信号有时会通过两组导体之间的电容（Cstray）和/或互感（Mstray）从一个电路“耦合”到另一个电路。

一个典型的例子是不需要的交流信号（“噪声”）影响到为敏感电路供电的直流电源线：（下图）

噪声通过杂散电容和互感耦合成“干净的”直流电源。

左侧的示波器仪表显示来自直流电压源的“干净”电源。然而，通过杂散互感和杂散电容与交流噪声源耦合后，在负载端测量的电压现在是交流和直流的混合，交流是不需要的。

通常，人们会期望 Eload 与 Esource 完全相同，因为连接它们的不间断导体应该使两组点在电气上共用。然而，电源导体阻抗允许两个电压不同，这意味着直流系统中不同点的噪声幅度会有所不同。

如果我们希望防止这种“噪声”到达直流负载，我们需要做的就是在负载附近连接一个低通滤波器以阻止任何耦合信号。在最简单的形式中，这只不过是一个直接连接在负载电源端子上的电容器，该电容器对任何交流噪声具有非常低的阻抗，并将其短路。

这种电容器称为去耦电容器 ：（下图）

去耦电容，应用于负载，过滤来自直流电源的噪声。

粗略地看一眼拥挤的印刷电路板 (PCB)，通常会发现去耦电容器分散在各处，通常尽可能靠近敏感的直流负载。

电容器尺寸通常为 0.1 µF 或更大，这是产生足够低的阻抗以短路任何噪声所需的最小电容量。更大的电容可以更好地过滤噪声，但尺寸和经济性限制了去耦电容器的价值。

评论：

• 低通滤波器允许低频信号从源轻松通过，而高频信号则难以通过。
• 电感式低通滤波器插入一个与负载串联的电感器；电容低通滤波器在负载上插入一个串联电阻和一个并联电容器。前一种滤波器设计试图“阻止”不需要的频率信号，而后者则试图将其短路。
• 截止频率 对于低通滤波器，输出（负载）电压等于输入（源）电压的 70.7% 时的频率。高于截止频率，输出电压低于输入电压的 70.7%，反之亦然。

相关工作表：

• 有源过滤器工作表
• 无源滤波器电路工作表