什么是高通滤波器：工作及其应用

滤波器是允许特定频率分量并衰减输入信号中不需要的频率分量的电子电路。 这些在各种电子应用中都可以找到，以允许信号的特定频率范围。 基本上，过滤器根据设计和操作中使用的组件类型分为两种类型。 它们是被动过滤器和主动过滤器。 根据频率范围，滤波器分为 4 种类型。 它们是低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 本文介绍了高通滤波器，它既可以用作有源滤波器，也可以用作无源滤波器。什么是高通滤波器？滤波器具有允许信号的高频分量并衰减信号的所有低频分量的能力。信号，称为高通滤波器。 它可以允许大于截止频率的高频分量，并拒绝信号的所有其他不需要的频率分量。 这些类型的滤波器可以在各种射频电路和信号处理系统中找到。 实际上，该滤波器将允许信号的较低频率，该频率低于截止频率。 高通滤波电路该电路与低通滤波电路相同，只是元件电阻和电容如下图所示互换。高通滤波器电路两个无源元件电阻和电容串联组合，以允许高于信号截止频率的频率。 通过在电容器两端施加输入电压，在电阻两端获得信号的输出电压。 这种类型的滤波器属于一阶高通滤波器电路。 二阶 HPF 只不过是两个串联的 RC 高通滤波器电路的级联。 二阶HPF中通带增益的增加率为+40dB/decade。 无源RC HPC无源RC高通滤波器电路可以设计为电阻和电容两种组合（无源RC HPF）； 电阻器和电感器（无源 RL HPF）基于应用。 无源 RC HPF 用于音频或低频范围内的应用。 无源 RL HPF 电路用于 RF 或高频范围的应用。高通滤波器电路也称为无源 RC 高通滤波器，因为使用了电阻器和电容器等无源元件。 主要优点是不需要外接任何电源或任何放大元件。无源RC HPF是一个简单的RC HPF电路，如上图所示。 电容器和电阻器串联连接，其中在电阻器两端产生输出电压。 由于电容器的电抗，滤波器只允许高于截止频率的信号的高频并阻止低于截止频率的信号的较低频率。 特性这些高通滤波器特性根据输出信号的频率响应和相移进行解释。理想特性 HPF 的主要特性是，它允许所有高于截止频率的高频分量并衰减所有低频低于截止频率的信号。 HPF 的理想特性如下所示。 通带被称为 ​​HPF 允许大于截止频率的更高频率。 该滤波器衰减低频，称为阻带。高通滤波器的理想特性频率响应输出信号的频率与增益成正比。 随着频率增加，增益增加。 RC 高通滤波器的频率响应取决于电容器的电抗。电容器产生所需量的电抗或高电抗以衰减信号的低频，即低于截止频率。 在电容器的低电抗下，RC 高通滤波器允许信号的高频分量，即大于截止频率。 但是，实际上，RC 高通滤波器允许低于其截止频率的低频。 当电抗在高频下为低/零时，RC 高通滤波器的增益变为统一。 即输出电压与给定的输入电压相同。 为了允许高频并拒绝低频，容抗随着频率的增加而减小，这导致输出电压和增益增加。 容抗给出为，Xc = 1/2πfc 其中 'fc' = 截止频率，单位 Hz'Xc' = 容抗 RC 高通滤波器的频率响应和相移特性如下所示。RC HPF 特性 从图中我们可以观察到，当频率处于截止频率且 R=Xc 时，低频被阻塞/拒绝并增加输出电压 +20dB/decade。 当输出电压为 0.7071 或其输入电压的 70.71%，即 -3dB 输入和输出电平（通过计算 20 log Vout/Vin）时，RC 高通滤波器允许高频（从截止频率到无穷大）。 这意味着HPF的频率响应是，允许高频信号从截止频率到无穷大。在截止频率处，输入信号和输出信号的相移相同，即45°。 当信号频率大于截止频率时，相位角为零。 这意味着输出信号在高频下与输入信号同相。电容器充电和放电所需的时间以时间常数的形式表示，用“τ”表示。 RC 高通滤波器的时间常数为τ = RC = 1/2πfcω = 1/τ = 1/RC RC HPF 的截止频率为，fc= 1/2πRC RC HPF 的相移为给定为Φ=t​​an-1 (1/2πfRC) 其中'fc' = 截止频率，单位Hz'f' = 工作频率，单位Hz'R' = 电阻值，单位为欧姆'C'= 电容值，单位为法拉高通使用运算放大器的滤波器使用运算放大器的高通滤波器非常容易设计和实现，因为它使用的数量有限。 电子元件并消除噪音和嗡嗡声。 使用运算放大器的高通滤波器的电路图如下所示。 无源 RC HPF 连接到同相运算放大器，用于放大和电压增益控制。使用运算放大器的高通滤波器输出受运算放大器的开环特性限制。 RC HPF 的输出施加到运算放大器，用于放大和控制输出信号的电压增益。 使用运算放大器的高通滤波器的电压增益给出为/fc)/√(1+(f/fc)2) 其中 Av= 电压增益，单位为 dB= 1+R2/R1Af = 通带增益 fc= 截止频率，单位为 Hzf = 工作频率，单位为 Hz 当 f < fc（低频） ，则 Vout/Vin < Af 当 f = fc（在截止频率时），则 Vout/Vin=Af/2 ^½ = 0.7071Af 当 f > fc（高频）时，则 Vout/Vin = Af 的闭环带宽运算放大器决定了 HPF 的最高频率，它具有恒定的通带增益 Af。电压增益的幅度为 Av(dB) = 20 log (Vout/Vin)-3dB = 20 log (0.707 Vout / Vin ）有源高通滤波器如果RC高通滤波器连接到运算放大器等有源元件以允许高频并拒绝低频，则称为有源HPF。 有源 HPF 的频率响应和相移与 RC HPF 相同。 有源高通滤波器的目的是控制电压增益和放大输出信号。 用于放大的有源高通滤波器的电路图如下所示。用于放大的有源 HPF RC HPF 电路连接到同相运算放大器。 无源高通滤波器的输出和截止频率由运算放大器控制。 运算放大器的带宽和增益特性决定了截止频率。 这种类型的滤波器充当带通滤波器。 运放增加输出信号的幅度，通带的输出电压增益为1+R2/R1，与低通滤波器相同。 传递函数推导高通滤波器传递函数，我们将考虑如上所示的无源 RC HPF 电路。从上述电路中，Vo = 电阻器两端的输出电压 Vi = 电容器两端施加的输入电压通过在输入端和输出端进行拉普拉斯变换，H(s)=Vₒ(s)/ Vᵢ(s)H(s)=R/(R+(1/sC)) 上式变为，H(s)=sCR/(1+sCR) 通过将上式中的s=jw代入H(jω)=jωCR /(1+jωCR)那么方程就变成了HPF传递函数的大小表示为|H(jω)|=ωCR/√(1+(ωCR)^2 )如果ω=0，那么HPF传递函数=0如果ω = 1/CR，则 HPF 传递函数 = 0.707 如果 ω = 无穷大，则 HPF 传递函数 = 1 因此上述传递函数特性表明无源 RC 高通滤波器可以允许高频从截止频率到 i 无穷大。 即，如果 ω 从 0 变化到无穷大，则从 1 变化到 0。Butterworth HPF Butterworth 高通滤波器是 HPF 的一种类型，它在通带中提供平坦的频率响应。 由于其平坦的频率响应，不会有波纹。 它也被称为平面滤波器，用于通带闭环增益为单位的各种应用。 一阶巴特沃斯高通滤波器的电路图和频率响应如下图所示。 这些都很容易，设计也很简单。Butterworth HPF 一阶 Butterworth HPF 的增益以 +20dB/decade 的速率增加，而二阶 Butterworth HPF 的增益为 +40dB/decade。巴特沃斯 HPF 特性应用高通滤波器的应用是放大信号的扬声器图像处理用于放大直流电流和交流耦合控制系统和音频处理系统。电话中的 DSL 分离器射频应用因此，这是关于高通滤波器（有源和无源类型）的概述- 定义、电路、Butterworth HPF、使用运算放大器的 HPF 及其应用。 这是一个问题，“高通滤波器的优点和缺点是什么？”

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