濾波器的截止頻率和品質(zhì)因數(shù)詳解

　　濾波器的截止頻率（F0 ）一般地是指幅度響應(yīng)比通帶低3 dB時(shí)的頻率。對于切比雪夫?yàn)V波器， 有時(shí)可以定義為幅度響應(yīng)降至通帶以外時(shí)的頻率。例如， 一個(gè)0.1 dB切比雪夫?yàn)V波器的F0 可以定義為響應(yīng)下降》 0.1 dB 時(shí)的頻率。 如果考察的是實(shí)際頻率與截止頻率之比，而不是實(shí)際頻率 本身，則衰減曲線的形狀（以及相位和延遲曲線，它們定 義著濾波器的時(shí)域響應(yīng)）將是相同的。將濾波器歸一化至 1 rad/s，則可開發(fā)出一種簡單的濾波器設(shè)計(jì)和比較系統(tǒng)。 在此基礎(chǔ)上，用截止頻率對濾波器進(jìn)行縮放，以確定實(shí)際濾波器的元件值。

　　濾波器的品質(zhì)因數(shù)（Q）有時(shí)也表示為α，其中： 這通常稱為阻尼比。請注意，有時(shí)使用ξ，其中：若Q 》 0.707，則濾波器響應(yīng)中會(huì)有些峰值化現(xiàn)象。若Q 《 0.707，F(xiàn)0 處的滾降會(huì)稍大；斜率將更平坦些，滾降發(fā)生的 時(shí)間將提前。對于2極點(diǎn)低通濾波器的峰值化量與Q的關(guān)系如圖1所示。

　　用ωo 和Q改寫傳遞函數(shù)H（s）：

　　其中，H0 為通帶增益且ωo = 2π F0 。 現(xiàn)在，我們將用該低通原型來設(shè)計(jì)濾波器。

　　高通濾波器

　　把低通原型的傳遞公式H（s）的分子改為H0 s2 ，結(jié)果將使低 通濾波器變成高通濾波器。該高通濾波器的響應(yīng)在形狀上 與低通濾波器相似，只是頻率反相而已。 高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　2極點(diǎn)高通濾波器的響應(yīng)如圖2所示。

　　帶通濾波器

　　把低通原型的分子改為Ho ωo 2 ，結(jié)果將把濾波器變成一個(gè) 帶通函數(shù)。 帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　（5）

　　其中：ω為濾波器增益峰值化時(shí)的頻率（F0 = 2 π ω0 ）。 H0 為電路增益，定義為：

　　H0 = H/Q. （6）

　　對帶通響應(yīng)來說，Q有特殊意義。它是濾波器的選擇性。 定義為：

　　（7）

　　其中，F(xiàn)L 和FH響應(yīng)比最大值相差–3 dB時(shí)的頻率。 濾波器的帶寬（BW）定義為

　　（8）

　　請注意，可以證明，諧振頻率（F0 ）為FL和FH的幾何平均 值，這就意味著，F(xiàn)0 在對數(shù)尺度上將出現(xiàn)在FL 和FH二者的中點(diǎn)。

　　另需注意的是，在對數(shù)尺度上，帶通響應(yīng)的波裙在F0 左右 始終是對稱的。

　　帶通濾波器對各種Q值的響應(yīng)如圖3所示。

　　這里需要提醒一下。帶通濾波器有兩種定義方式。窄帶情 況為經(jīng)典定義，如圖3所示。

　　然而，在某些情況下，如果高、低截止頻率相差很大，則 帶通濾波器采用獨(dú)立的高通和低通部分進(jìn)行構(gòu)造。這里所 說的相差很大是說至少相差2個(gè)倍頻程（頻率×4）。這是使 用寬帶的情況。

　　帶阻（陷波）濾波器

　　把分子改為s2 + ωz 2 ，就可以將濾波器轉(zhuǎn)換成一種帶阻或陷 波濾波器。就如帶通濾波器一樣，如果帶阻濾波器的轉(zhuǎn)折 頻率之間間隔大于一個(gè)倍頻程（寬帶情況），則可用單獨(dú)的 低通和高通部分構(gòu)造。因此，我們將采用以下規(guī)范：窄帶 帶阻濾波器將稱為陷波濾波器，寬帶帶阻濾波器稱為帶阻 濾波器。

　　陷波（或帶阻）傳遞函數(shù)為：

　　（9）

　　陷波濾波器的特性有三種情況，如圖4所示。極點(diǎn)頻率ω0 與零點(diǎn)頻率ωz 的關(guān)系決定著濾波器是標(biāo)準(zhǔn)陷波、低通陷 波，還是高通陷波。

　　如果零點(diǎn)頻率等于極點(diǎn)頻率，則存在標(biāo)準(zhǔn)陷波。在此例 中，零位于jω平面，其中，定義極點(diǎn)頻率的曲線與軸相 交。

　　當(dāng)零點(diǎn)頻率大于極點(diǎn)頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生低通陷波。這種情況 下，ωz 位于極點(diǎn)頻率曲線之外。對實(shí)際應(yīng)用來說，這意味 著，濾波器在ωz 以下的響應(yīng)將大于ωz 以上的響應(yīng)。結(jié)果形 成一種橢圓形的低通濾波器。

　　當(dāng)零點(diǎn)頻率小于極點(diǎn)頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高通陷波濾波器。這 種情況下，ωz 位于極點(diǎn)頻率曲線之內(nèi)。對實(shí)際應(yīng)用來說， 這意味著，濾波器在ωz 以下的響應(yīng)將小于ωz 以上的響應(yīng)。 結(jié)果形成一種橢圓形的高通濾波器。

　　陷波寬度隨Q的變化情況如圖5所示。