有源滤波器和无源滤波器的区别在哪？

想象一下，作为一名音频工程师，刚刚录制了整个职业生涯中最好的声音之一，但录音中有大量不需要的高频噪音，而且似乎无法消除，或者是一名电气工程师，对这些噪音感到困惑。最新整流器直流输出中的高频失真。尽管存在差异，这两种情况都需要相同的解决方案，即过滤器。滤波器是一种电路，会影响通过其输入馈送的电信号的交流内容。就音频工程师而言，他会使用滤波器来消除录音中的高频噪声，而电气工程师会使用不同的滤波器来衰减（减少）输出电压中的失真。为了能够确定要使用的过滤器类型，

感谢法国数学家约瑟夫·傅里叶的工作，现在我们知道任何周期信号都可以表示为正弦波和余弦波的组合，可以通过分析信号来确定其性质。这意味着任何给定的周期信号都可以被证明由某些频率的正弦波和余弦波组成，并且可以影响这些单独的频率以改变整个信号的特性。因此，滤波器可以通过它们对信号不同频率分量的影响来表征。最常见的类型是低通、高通、带通和带阻（或陷波）滤波器。

低通滤波器

顾名思义，低通滤波器允许低于某一频率的频率通过衰减。该点称为滤波器的截止频率。信号中高于截止频率的任何频率分量都会被衰减到某个值，该值由滤波器的构造方式决定。这种滤波器的一个简单例子是衰减音频波高频分量的硬墙。这正是任何音频的低频音符在相邻房间中更清晰的原因。

上图中，通带是指未衰减的频段，而阻带是指被衰减的频段。频率响应曲线用于表示滤波器的响应。

高通滤波器

高通滤波器允许高频分量通过，同时衰减低频分量。

带通滤波器

带通滤波器允许一段频率通过，同时衰减其余信号。可以将其想象为高通和低通滤波器的组合，其中低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率。

带阻滤波器

带阻滤波器与带通滤波器相反，带通滤波器允许范围之外的频率通过，同时衰减该范围内的频率。与带通滤波器一样，它也可以想象为低通滤波器和高通滤波器的组合，低通滤波器的截止频率低于高通滤波器的截止频率。

周期信号有两个方面，即增益和相位。增益是指信号的幅度，以 dB（或分贝）为单位测量。另一方面，相位与信号相对于其原始波形的时间延迟有关。这可以通过图表更好地解释。

尽管用于描述滤波器的语言表明它们仅衰减/增强信号的增益，但它们也会影响信号中各个频率分量的相位。例如，低通滤波器不仅衰减高于其截止频率的频率，而且还反转它们的相位。这就是滤波器具有增益和相位响应图的原因。这些图显示了输入信号频率与由于应用滤波器而导致的增益和相位变化之间的关系。

有源和无源滤波器

无源滤波器

所有滤波器中最简单的是仅使用电阻器、电容器和电感器构建的滤波器。此类滤波器称为无源滤波器，因为它们是由无源元件构成的。在电子产品中，无源元件是指那些自身不产生能量的元件。它们只能耗散能量（在电阻器的情况下）或存储能量（在电感器和电容器的情况下）。此外，它们的输出不能使用电源来改变。例如，以下是一个简单的RC高通滤波器的构造：

只需更改输出连接即可实现低通滤波器，如下所示：

以下是使用 RC 网络的简单带通滤波器：

请注意它是如何通过级联高通和低通滤波器构建的：

可以使用 RL 网络构建相同的滤波器电路。例如，RL 低通滤波器：

RC 网络是滤波器的首选结构，因为滤波器可以在更小的占地面积内实现。即使容量很小，电感器的尺寸也很大，并且会增加系统损耗，同时也更昂贵。

尽管无源滤波器实施起来很简单，但它也有一些缺点。例如，无源滤波器的通带增益不为零。这意味着信号在通过无源滤波器后强度会降低。此外，当我们级联无源滤波器来增加斜率时，它会导致幅度进一步损失，这种现象称为“级间负载”。此外，连接到滤波器的负载可以改变其截止频率。这些缺点导致了有源滤波器的发展。

有源滤波器

有源滤波器之所以如此命名，是因为它们是使用有源元件或为电路添加能量的元件构建的。有源元件的例子包括放大器、晶体管、振荡器等。在滤波器中，最常用的有源元件是运算放大器或简称运放。滤波器电路中使用放大器来克服无源滤波器的缺点。

下图所示为有源低通滤波器：

有源滤波器的通带增益为 0dB，这意味着它们不会衰减通带中的信号。它们具有高输入和低输出阻抗，这对应于两个优点：一是负载阻抗不会影响滤波器的性能，二是级联多个滤波器不会导致增益下降，或者减轻级间负载。这些特性使它们非常适合级联。由于它们是有源器件，因此可以将它们配置为增强通带中的信号。

有源滤波器和无源滤波器的区别

• 如上所述，有源滤波器和无源滤波器之间的主要区别在于，无源滤波器是由电阻器、电容器和电感器等无源元件构成的，而有源滤波器是由放大器等有源元件以及无源元件构成的。
• 有源滤波器需要电源才能运行，而无源滤波器则不需要。
• 无源滤波器的输出随负载而变化，而有源滤波器无论连接的负载如何都保持其性能。
• 无源滤波器不能对信号应用额外的增益，而有源滤波器可以。即使不应用增益，有源滤波器也会保持信号幅度，而无源滤波器则会衰减整个信号。

要点

• 滤波器是一种衰减某些频率的电路。
• 高通滤波器衰减低于截止频率的频率。
• 低通滤波器衰减高于截止频率的频率。
• 带通滤波器衰减两个截止频率之外的频率。
• 带阻滤波器衰减两个截止频率之间的频率。
• 无源滤波器是使用电阻器、电容器和电感器等无源元件构建的滤波器。
• 有源滤波器是使用放大器等有源元件以及无源元件构建的。