儲(chǔ)能器件 C 或者 L,其容抗或者感抗,都隨頻率變化,而電阻的阻值卻不隨頻率變化。將儲(chǔ)能器件引入到運(yùn)放電路中,就能夠營(yíng)造出增益隨頻率變化的特性。
運(yùn)放組成的濾波器電路中,絕大多數(shù)甚至全部,都選擇電容作為儲(chǔ)能器件,而很少使用電感。這是為什么?
以一個(gè)常見的一階低通濾波器為例,可以看出問(wèn)題所在。如上左圖所示是由電感和電阻組成的一階低通濾波器,稱為 LR 低通濾波器。右圖是我們多次見過(guò)的RC 低通濾波器。這兩個(gè)濾波器的工作頻段,都可以分成3部分:
低頻時(shí),對(duì) LR 型,電感的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻值,會(huì)產(chǎn)生增益為 1;對(duì) RC 型,則要求電容的容抗遠(yuǎn)大干電阻值,也會(huì)產(chǎn)生增益為 1。這就要求低頻時(shí)電感具有極小的等效導(dǎo)通電阻,而電容應(yīng)用極大的漏電阻。
高頻時(shí),對(duì) LR 型,電感的感抗遠(yuǎn)大于電阻值,增益接近于 0;對(duì) RC 型,電容容抗遠(yuǎn)
小于電阻值,增益接近于 0,此時(shí)要求,電感的漏電阻應(yīng)很大,而電容的等效導(dǎo)通電阻應(yīng)很小。
介于極高頻率和極低頻率之間的中頻段,也就是特征頻率或者截止頻率發(fā)生的頻段。此時(shí),應(yīng)有感抗和容抗都和電阻值接近。
而濾波器中的電阻值,不是仟意選擇的。一般來(lái)講,為了保證運(yùn)放輸出端流出電流不
要太大,電阻值不能選擇太小的,10V/10ohm=1A,而從噪聲考慮,電阻又不能過(guò)大,因此100ohm~100kΩ 是常見選擇。
對(duì)于LR濾波器,其增益隨頻率變化的表達(dá)式為:
對(duì)于選擇電阻為1kohm的時(shí)候,其特征頻率的范圍就取決于電感量,往往受限于制造難度,電感值在1nH~100mH之間。這樣就可以得到:
即多數(shù)電感能夠工作的特征頻率區(qū)間在1.59MHz~159GHz。這樣的話,對(duì)于電感構(gòu)成的濾波器,大多數(shù)情況下,只能工作在截止頻率較大的場(chǎng)合,而這個(gè)頻率區(qū)間跟運(yùn)算放大器的工作區(qū)間非常不吻合,常用的工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)算放大器工作頻率區(qū)間是100MHz以內(nèi)。
再看電容組成的濾波器,常見電容值一般為1pF~1000uF。
可以看到,用電容組成的濾波器其特征頻率可以在0.159Hz~159MHz,這個(gè)范圍跟運(yùn)算放大器的工作頻率一致。
因此,用運(yùn)算放大器組成的濾波器,其實(shí)無(wú)論低通還是高通,都適合使用RC型,而不是LR型。而在頻率特別高的場(chǎng)合下,電感則是更為常見,但往往都是無(wú)源濾波器,比如pi濾波器,LC濾波器等。
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為什么要使用有源元件?有源濾波器的設(shè)計(jì)原理解讀

模擬濾波器和數(shù)字濾波器的主要區(qū)別
開關(guān)電容濾波器
模擬濾波器的應(yīng)用

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