電子濾波器

電子濾波器（Electronic Filters）是可執行信號處理功能的電子線路、元件或裝置，專門用於去除信號中不想要的成分或者增強所需成分。

基本介紹

• 中文名：電子濾波器
• 外文名：Electronic Filters
• 功能：執行信號處理功能
• 時間：19世紀80年代
• 類型：線性濾波器
• 裝置：音頻濾波器

基本信息

電子濾波器有音頻濾波器（Wave Filter）與噪聲濾波器（Noise Filter）等套用裝置，可以是：

• 無源的或者有源的
• 模擬的或者數字的
• 離散時間（採樣）的或者連續時間的
• 線性的或者非線性的
• 無限脈衝回響（IIR）或者有限脈衝回響（FIR)

不管它們的設計有什麼不同，最常見的電子濾波器類型是線性濾波器。參見線性濾波器方面的文章中關於它們的設計和分析的詳細內容。

歷史

早在19世紀80年代，電阻、電容濾波電路就已經出現。具有頻率選擇功能的電感、電容諧振電路可作為最簡單的濾波器。

1915年德國K.W.華格納和美國貝爾實驗室的G.A.坎貝爾，分別提出關於濾波器的論文，已被世界公認為濾波器的獨立發明者。

1923年以後，貝爾實驗室的O.J.查貝爾提出定K型、m誘導型影像參數濾波器設計方法。

1939年德國W.考爾和美國S.達靈頓分別提出工作參數濾波器設計理論。由於許多電路和系統都要區分不同頻率的信號，濾波器遂被廣泛地用在通訊、廣播、雷達以及許多儀器和設備中。

許多複雜的多極 LC 濾波器也已經存在多年了，有許多這方面的書籍講述這類濾波器的工作。

最古老的電子濾波器形式是使用電阻和電容或者電阻和電感構建的無源模擬線性濾波器，它們分別叫做 RC 和 RL 單極濾波器。

人們也開發了一些混合濾波器，典型的例子有將模擬放大器與機械共鳴器或者延時線組合在一起。如CCD延時線這樣的設備也用作離散時間濾波器。由於數位訊號處理的廣泛套用，有源數字濾波器已經變得常見。

按照濾波技術分類

無源濾波器（被動式濾波）

單極型

最簡單的線性濾波器的電子實現是電阻、電感和電容的組合。這些濾波器有RC、RL、LC和RLC等多種形式。所有這些類型的濾波器總稱為無源濾波器，這是因為它們都不需外部電源供電。

電感阻止高頻信號通過而允許低頻信號通過，電容的特性卻相反。信號能夠通過電感的濾波器、或者通過電容連線到地的濾波器對於低頻信號的衰減要比高頻信號小，稱為低通濾波器。如果信號通過電容、或者通過電感連線到地，那么濾波器對於高頻信號的衰減要比低頻信號小，稱為高通濾波器。電阻自身沒有頻率選擇的特性，但是加入到電感和電容一起決定電路的時間常數，因此也決定了相應的頻率。

在大概超過 100 MHz 這樣非常高的頻率，有時電感由一個單環或者金屬片組成，電容由相鄰的金屬片組成，它們稱為 stubs。

多極型

二階濾波器用品質或Q因數來衡量。如果一個濾波器通過或者阻止的頻率頻寬與中心頻率相比非常狹窄，那么就說這個濾波器有很高的Q因數（Q值）。Q 定義為中心頻率/3dB頻寬。

有源濾波器（主動式濾波）

有源濾波器使用無源和有源放大元件組成，運算放大器經常用於有源濾波器設計。有源濾波器能夠不使用電感就實現高Q因子和諧振。但是，它們的頻率上限受制於所用放大器的頻寬。

開關電容（Switched Capacitor）濾波器

和有源濾波相比，以開關電容（Switched Capacitor）電路代替電阻的濾波器。

數字濾波器

數位訊號處理可以用於廉價地構建不同類型的濾波器。信號經過採樣、模數轉換轉變成數字流，經常使用運行在中央處理器或者特殊的數位訊號處理器的電腦程式而不是硬體算法來計算輸出的數字流，它的輸出然後通過數模轉換轉變成信號。在轉換過程中可能會產生噪聲，但是對於許多有用的濾波器來說它們可以被控制和限制。由於涉及到採樣，所以輸入信號必須限定在一定的頻率，否則就會產生混疊。

電源濾波器

電源濾波器是指裝設於交流電源側的噪聲濾波器（Noise Filter），用來消除干擾雜波的器件，將輸入或輸出經過過濾而得到純淨的交流電，可將內部噪聲控制於內部中，防止噪聲藉由電纜線傳導到其他電器中。

電源濾波器專用電容

其它濾波器技術

石英濾波器和壓電技術

在二十世紀三十年代晚期，工程師發現如石英這樣的堅硬材料製成的小型機械系統會在從可聽見的聲音頻率到幾百兆赫茲的無線電頻率發生聲學諧振。

一些早期的諧振器是用鋼製成的，但是很快石英就流行起來。石英的最大優點是它是壓電式的，這就意味著石英振盪器可以直接將它們自身的運動轉化成電子信號。另外石英隨溫度變化的係數很小，這就是說石英振盪器能夠在很大的溫度變化範圍內保持穩定的頻率。

石英晶體濾波器的質量因數遠遠高於 LCR 濾波器。當需要更高的穩定性時，晶體和驅動電路能夠放到一個「晶體箱」中控制溫度變化。對於極窄頻寬的濾波器，有時需要串列使用幾個晶體。

工程師發現可以在石英晶體上蒸發金屬成梳狀從而可以將多個晶體疊加成一個元件，在這種機制下，「抽頭（tapped）延時線」在聲波滑過石英晶體表面時能夠增強所要頻率。抽頭延時線已經成為多種實現高Q濾波器方法的一個通用機制。

表面聲波濾波器

表面聲波濾波器是經常用於無線電頻率套用的機電設備，電子信號在壓電晶體中轉化為機械波；這個波在通過晶體傳播時發生延時；後面的電極將它轉換成電訊號。延時的輸出信號組合在一起成為有限脈衝回響濾波器的一個直接的模擬實現。這種混合濾波技術也見於模擬採樣濾波器中。

石榴石濾波器

另外一種實現從 800MHz 到 5GHz 微波頻率濾波的方法是使用一個釔和鐵化合作用製造的單晶釔鐵石榴石球（YIGF或者釔鐵石榴石濾波器）。石榴石位於電晶體驅動的金屬帶上，一個小型的環形天線連到球體頂端。電磁場將會改變石榴石允許通過的頻率。這種方法的一個優點是能夠通過改變磁場強度在很寬的範圍內調整頻率。

原子濾波器

對於更高頻率和更高精度要求，需要使用原子震動。原子鐘使用銫激勵器作為超高 Q 濾波器穩定主振盪器。另外一個用於帶有微弱無線電信號的高固定頻率場合的方法是使用紅寶石激勵器 tapped 延時線。

主要分類

按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻、全通濾波器等：

• 低通濾波器：允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量、干擾和噪聲。
• 高通濾波器：允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。
• 帶通濾波器：允許一定頻段的信號通過，抑制低於或高於該頻段的信號、干擾和噪聲。
• 帶阻濾波器：抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過。
• 全通濾波器：具有平坦的頻率回響，並不衰減任何頻率的信號。由此可見，全通濾波器雖然也叫濾波器，但它並不具有通常所說的濾波作用，而是通過改變輸入信號的相位，用於相位校正、延時器、延遲均衡等作用。

按所採用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

根據濾波器的物理安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。

特殊設計的濾波器

• 切比雪夫濾波器（Chebyshev Filter）：是在通帶或阻帶上頻率回響幅度等波紋波動的濾波器。
• 高斯濾波器（Gaussian Filter）：是根據高斯函式的形狀來選擇權值的線性平滑低通濾波器，適用於消除高高斯噪聲，廣泛套用於信號或圖像處理的減噪過程。