什么是音頻濾波器？音頻濾波器類型分析

音頻系統(tǒng)旨在接收音頻信號（通過麥克風(fēng)），將音頻記錄在某些存儲中，傳輸音頻（通過有線或無線通信通道）和再現(xiàn)音頻信號（通過揚(yáng)聲器）。因此，音頻電路執(zhí)行信號處理以表示電信號形式的聲音，操縱電（音頻）信號，例如放大，濾波或混合，從音頻信號中再現(xiàn)聲音，將音頻存儲到計(jì)算機(jī)文件中，或從中再現(xiàn)音頻。音頻文件。下面的框圖可以代表一個通用的音頻系統(tǒng)。

圖1.音頻系統(tǒng)的框圖

像麥克風(fēng)，音頻源和揚(yáng)聲器一樣，音頻濾波器也是音頻系統(tǒng)的基本組成部分。音頻濾波器實(shí)際上是具有不同頻率響應(yīng)的放大器或無源電路。它們可以放大或衰減音頻輸入的頻率范圍。這不同于簡單的音頻放大器或輸入源，后者不具有頻率相關(guān)的功能。任何簡單的音頻放大器均會放大完整的輸入音頻信號，而不論其頻率如何，或者音頻源會傳送音頻信號，而與信號中的頻率無關(guān)。

通過放大或衰減音頻信號中的特定頻率范圍，可以創(chuàng)造性地增強(qiáng)音頻輸入音調(diào)。音頻分頻器和均衡器也是音頻濾波器的類型。音頻分頻器是一種電子濾波器，用于將音頻輸入信號分為不同的頻率范圍，以發(fā)送給不同的驅(qū)動（高音，中音和低音揚(yáng)聲器）。音頻均衡器是一種電子濾波器，用于根據(jù)頻率相關(guān)功能放大音頻信號。因此，對于不同的頻率，均衡器的輸出具有不同的放大電平。分頻器和均衡器在音頻設(shè)備中起主要作用。在本教程中，我們將討論不同類型的過濾器以及與之相關(guān)的術(shù)語。

什么是音頻濾波器？

音頻濾波器是設(shè)計(jì)用于放大或衰減一定范圍的頻率分量的電子電路。這有助于消除音頻信號中的有害噪聲，并改善音頻輸出的音調(diào)。濾波器在電信和電子音頻領(lǐng)域起著重要作用。

過濾器類型

濾波器是一種特殊類型的放大器或無源電路，具有與頻率有關(guān)的輸出?？梢酝ㄟ^多種方式對濾波器進(jìn)行分類，例如構(gòu)造，頻率響應(yīng)或兩者兼而有之。

根據(jù)構(gòu)造，音頻過濾器分為以下幾類：

1）無源濾波器
2）有源濾波器

術(shù)語“被動”和“主動”在上下文中通常用于電子組件。需要電源進(jìn)行操作的組件稱為有源組件，例如晶體管和OPAM。那些不需要任何電源即可工作的電子組件稱為無源組件，例如電阻器，電容器和電感器。

無源濾波器：是使用電阻器和電容器或電阻器和電感之類的無源組件設(shè)計(jì)的。電容器和電感的阻抗取決于頻率，這允許使用電阻器/電容器，電阻器/電感器或電阻器/電容器/電感器組合構(gòu)造濾波器。這些濾波器的運(yùn)行不需要任何電源，這就是為什么它們被稱為無源濾波器。

有源濾波器：有源濾波器是使用諸如晶體管或運(yùn)算放大器之類的有源組件設(shè)計(jì)的。晶體管或運(yùn)算放大器需要直流電源進(jìn)行偏置。通過使用有源元件，無需使用電感來構(gòu)建濾波器。這減小了電路的尺寸和成本，并提高了濾波器的效率。由于這些濾波器的有源元件需要直流偏置源，因此稱為有源濾波器。

濾波器也可以根據(jù)其頻率響應(yīng)進(jìn)行分類。濾波器放大或允許通過的頻率范圍稱為通帶。通帶是濾波器頻率曲線中電路的電壓或功率最大的區(qū)域。根據(jù)濾波器允許通過的頻帶，將其分類如下：

1）高通濾波器
2）低通濾波器
3）帶通濾波器
4）帶阻濾波器
5）陷波濾波器
6）全通濾波器
7）均衡濾波器

高通濾波器：該濾波器使高于其截止頻率的所有頻率通過，并阻斷低于其截止頻率的所有頻率。截止頻率是指信號的電壓或幅度降至通帶電壓的0.707或3 dB時的截止頻率。此時，電路的功率輸出開始下降，高通濾波器的典型頻率曲線如下所示。

圖2：該圖顯示了高通音頻濾波器的頻率響應(yīng)

從頻率響應(yīng)圖中可以看出，低頻信號不會在截止頻率處完全衰減。低于截止頻率的頻率也通過該高通濾波器傳遞，但增益很小。因此，截止頻率會下降。這就是為什么有時將其稱為下滾頻率的原因。

低通濾波器：此濾波器使低于其截止頻率的所有頻率通過，并阻塞高于其截止頻率的頻率。低通濾波器的頻率響應(yīng)如下：

圖3：該圖顯示了低通音頻濾波器的頻率響應(yīng)

從頻率響應(yīng)圖中可以看出，在截止頻率處，高頻信號并未完全衰減。截止頻率以上的頻率也通過該低通濾波器傳遞，但增益非常小。

帶通濾波器：該濾波器僅使截止頻率范圍內(nèi)的頻帶通過。帶通濾波器有兩個截止頻率，一個是較低的截止頻率，另一個是較高的截止頻率。濾波器的中心頻率和帶寬決定了下面的頻率響應(yīng)，如圖中所示的下限和上限頻率。

圖4：該圖顯示了帶阻音頻濾波器的頻率響應(yīng)

帶阻濾波器：帶阻濾波器可通過除特定頻率范圍之外的所有頻率。它通過低于其下限的所有頻率和高于其上限的所有頻率，但不傳遞介于上限和下限之間的頻率。較高的截止頻率和較低的截止頻率是中心頻率的偏差，對于該中心頻率，濾波器電路的增益理想地為零（實(shí)際上最小）。

陷波濾波器：陷波濾波器是阻帶很窄的帶阻濾波器。由于阻帶很窄，因此這些濾波器具有很高的品質(zhì)因數(shù)。

全通濾波器：全通濾波器允許通過所有頻率，但修改它們之間的相位關(guān)系。因此，在全通濾波器的輸出處，不同的頻率范圍彼此之間具有相位差。全通濾波器的頻率響應(yīng)圖具有相移的頻率，如下圖所示。

圖5：該圖顯示了全通音頻濾波器的相移頻率響應(yīng)

均衡器濾波器-均衡器濾波器不會完全衰減或通過特定范圍的頻率，而是根據(jù)頻率相關(guān)函數(shù)可變地放大頻率。

1）無源高通濾波器

3）無源低通濾波器

4）有源低通濾波器

5）無源帶通濾波器

6）有源帶通濾波器

7）無源帶阻濾波器

8）有源帶阻濾波器

無源高通濾波器：高通濾波器可阻擋較低頻率的分量，并允許較高頻率的分量?？梢允褂肦C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建無源高通濾波器。這種類型的濾波器通常用于將音頻信號的高頻分量引導(dǎo)到高音揚(yáng)聲器。一個簡單的無源高通濾波器如下所示。

圖6：一階無源高通音頻濾波器的電路圖

對于上面顯示的RC網(wǎng)絡(luò)，截止頻率與電阻和電容器有關(guān)，如下所示：

fh = 1 /（2πRC）

因此，通過設(shè)置電阻和電容器的值，可以設(shè)計(jì)出具有所需截止頻率的高通濾波器，在上述電路中，截止頻率約為160 Hz。上面的高通濾波器將使高于160 Hz的所有頻率通過，并衰減低于它的頻率。

無源濾波器沒有帶寬限制，可以通過選擇電阻器和電容器的合適值來設(shè)計(jì)。它不需要任何電源用于直流偏置。這樣的濾波器需要較少的組件來設(shè)計(jì)并且具有高電流輸出。然而，這些濾波器不能放大音頻信號，并且如果使用電感器來構(gòu)造它們，則它們既昂貴又笨重。

有源高通濾波器：可以使用晶體管或運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)有源高通濾波器，一個簡單的有源高通濾波器（一階濾波器）如下所示：

圖7：一階有源高通音頻濾波器的電路圖

此過濾器沒有加載效果。OPAM具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此它們不受源和負(fù)載的影響。濾波器具有非單位增益，通常非常高。因此，音頻信號輸出不僅無噪聲，而且還可以放大。這些濾波器的尺寸也很小，并且通常，其設(shè)計(jì)中使用的IC或晶體管并不笨重。但是，有源濾波器設(shè)計(jì)涉及更多的組件，這些組件的偏置需要直流電源。因此，濾波電路需要一個外部電源來工作。而且，由于使用運(yùn)算放大器，濾波器電路具有帶寬限制。
無源低通濾波器：可以使用RC網(wǎng)絡(luò)或RL網(wǎng)絡(luò)（用于一階濾波器）構(gòu)建無源低通濾波器?？梢允褂肦LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建二階低通濾波器。通過將許多一階濾波器串聯(lián)在一起，可以設(shè)計(jì)出可以更精確地過濾音頻信號的高階低通濾波器。在簡單的無源低通濾波器中，輸入音頻信號通過電阻器（而不是像高通濾波器中的電容器）。電容器連接在電阻器和地之間。

8：一階無源低通音頻濾波器的電路圖

下式給出了該濾波器的截止頻率：

有源低通濾波器：有源低通濾波器在低通RC，RL，RLC或多階無源濾波器之前的輸出端使用運(yùn)算放大器或晶體管放大器。運(yùn)算放大器在傳送到功率放大器或揚(yáng)聲器之前先放大允許的低頻分量。OPAM提供的增益是這種濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。但是，這樣的濾波器具有帶寬限制，并且需要用于偏置OPAM或晶體管電路的DC源。
無源帶通濾波器：帶通濾波器是通過組合低通和高通濾波器而設(shè)計(jì)的。它通常使用RLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。一個簡單的無源帶通濾波器如下所示。

圖9：一階無源帶通音頻濾波器的電路圖

在上面所示的帶通濾波器中，高通濾波器與低通濾波器串聯(lián)連接。高通濾波器的截止頻率實(shí)際上是該帶通濾波器的較低截止頻率。低通濾波器的截止頻率實(shí)際上是該帶通濾波器的較高截止頻率。因此，僅允許位于組合的高通和低通濾波器的頻率切線之間的頻率通過輸出。

有源帶通濾波器：有源帶通濾波器的運(yùn)算放大器或晶體管放大器在無源帶通電路之后的輸出之前連接。運(yùn)算放大器放大允許的頻帶。在這種濾波器中，OPAM的帶寬必須與帶通濾波器的期望帶寬匹配。
無源帶阻濾波器：帶阻濾波器會衰減一定范圍的頻率，并允許通過頻率低于其較低的截止頻率而高于其較高的截止頻率。（一階）無源帶阻濾波器通常使用RLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其中輸入信號通過電阻器傳遞。LC網(wǎng)絡(luò)連接在電阻和地之間。一個簡單的無源帶通濾波器如下所示。

圖10：一階無源帶阻音頻濾波器的電路圖

這樣的電路是高通和低通濾波器的并聯(lián)組合。高通濾波器的截止頻率是該帶阻濾波器的較高截止頻率，而低通濾波器的截止頻率是該帶阻濾波器的較低截止頻率。因此，僅允許不包括組合的高通和低通濾波器的截止頻率之間的頻率的頻率在輸出端通過。這些濾波器也稱為帶阻濾波器，帶阻濾波器和T陷波濾波器。

在音頻過濾器的上下文中很少使用術(shù)語。這些術(shù)語中的一些將在下面說明。
1）帶寬：這是濾波器允許通過的頻率范圍。帶寬可以定義為上限和下限截止頻率之差。有時也稱為“通帶帶寬”。帶寬決定了濾波器組內(nèi)濾波器的頻率響應(yīng)頻率范圍。 下圖顯示了低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線的帶寬。

圖11：該圖顯示了其頻率曲線中所示音頻濾波器的帶寬

2）品質(zhì)因數(shù)（Q因子）：品質(zhì)因數(shù)描述了諧振器電路中的損耗。每個周期存儲在諧振器中的能量與提供給諧振器的能量之比，以保持信號恒定幅度。Q越大，意味著損失越少，反之亦然。

就帶寬而言，Q由以下公式確定：

fc =諧振頻率

可以使用音頻濾波器的頻率曲線確定Q因子：