2021年02月25日 | 音频滤波器的基础

音频系统旨在接收音频信号（通过麦克风），将音频记录在某些存储中，传输音频（通过有线或无线通信通道）和再现音频信号（通过扬声器）。因此，音频电路执行信号处理以表示电信号形式的声音，操纵电（音频）信号，例如放大，滤波或混合，从音频信号中再现声音，将音频存储到计算机文件中，或从中再现音频。音频文件。下面的框图可以代表一个通用的音频系统。

图1.音频系统的框图

像麦克风，音频源和扬声器一样，音频滤波器也是音频系统的基本组成部分。音频滤波器实际上是具有不同频率响应的放大器或无源电路。它们可以放大或衰减音频输入的频率范围。这不同于简单的音频放大器或输入源，后者不具有频率相关的功能。任何简单的音频放大器均会放大完整的输入音频信号，而不论其频率如何，或者音频源会传送音频信号，而与信号中的频率无关。

通过放大或衰减音频信号中的特定频率范围，可以创造性地增强音频输入音调。音频分频器和均衡器也是音频滤波器的类型。音频分频器是一种电子滤波器，用于将音频输入信号分为不同的频率范围，以发送给不同的驱动（高音，中音和低音扬声器）。音频均衡器是一种电子滤波器，用于根据频率相关功能放大音频信号。因此，对于不同的频率，均衡器的输出具有不同的放大电平。分频器和均衡器在音频设备中起主要作用。在本教程中，我们将讨论不同类型的过滤器以及与之相关的术语。

什么是音频滤波器？

音频滤波器是设计用于放大或衰减一定范围的频率分量的电子电路。这有助于消除音频信号中的有害噪声，并改善音频输出的音调。滤波器在电信和电子音频领域起着重要作用。

过滤器类型

滤波器是一种特殊类型的放大器或无源电路，具有与频率有关的输出。可以通过多种方式对滤波器进行分类，例如构造，频率响应或两者兼而有之。

根据构造，音频过滤器分为以下几类：

1）无源滤波器

2）有源滤波器

术语“被动”和“主动”在上下文中通常用于电子组件。需要电源进行操作的组件称为有源组件，例如晶体管和OPAM。那些不需要任何电源即可工作的电子组件称为无源组件，例如电阻器，电容器和电感器。

无源滤波器：是使用电阻器和电容器或电阻器和电感之类的无源组件设计的。电容器和电感的阻抗取决于频率，这允许使用电阻器/电容器，电阻器/电感器或电阻器/电容器/电感器组合构造滤波器。这些滤波器的运行不需要任何电源，这就是为什么它们被称为无源滤波器。

有源滤波器：有源滤波器是使用诸如晶体管或运算放大器之类的有源组件设计的。晶体管或运算放大器需要直流电源进行偏置。通过使用有源元件，无需使用电感来构建滤波器。这减小了电路的尺寸和成本，并提高了滤波器的效率。由于这些滤波器的有源元件需要直流偏置源，因此称为有源滤波器。

滤波器也可以根据其频率响应进行分类。滤波器放大或允许通过的频率范围称为通带。通带是滤波器频率曲线中电路的电压或功率最大的区域。根据滤波器允许通过的频带，将其分类如下：

1）高通滤波器

2）低通滤波器

3）带通滤波器

4）带阻滤波器

5）陷波滤波器

6）全通滤波器

7）均衡滤波器

高通滤波器：该滤波器使高于其截止频率的所有频率通过，并阻断低于其截止频率的所有频率。截止频率是指信号的电压或幅度降至通带电压的0.707或3 dB时的截止频率。此时，电路的功率输出开始下降，高通滤波器的典型频率曲线如下所示。

2：该图显示了高通音频滤波器的频率响应

从频率响应图中可以看出，低频信号不会在截止频率处完全衰减。低于截止频率的频率也通过该高通滤波器传递，但增益很小。因此，截止频率会下降。这就是为什么有时将其称为下滚频率的原因。

低通滤波器：此滤波器使低于其截止频率的所有频率通过，并阻塞高于其截止频率的频率。低通滤波器的频率响应如下：

3：该图显示了低通音频滤波器的频率响应

从频率响应图中可以看出，在截止频率处，高频信号并未完全衰减。截止频率以上的频率也通过该低通滤波器传递，但增益非常小。

带通滤波器：该滤波器仅使截止频率范围内的频带通过。带通滤波器有两个截止频率，一个是较低的截止频率，另一个是较高的截止频率。滤波器的中心频率和带宽决定了下面的频率响应，如图中所示的下限和上限频率。

4：该图显示了带阻音频滤波器的频率响应

带阻滤波器：带阻滤波器可通过除特定频率范围之外的所有频率。它通过低于其下限的所有频率和高于其上限的所有频率，但不传递介于上限和下限之间的频率。较高的截止频率和较低的截止频率是中心频率的偏差，对于该中心频率，滤波器电路的增益理想地为零（实际上最小）。

陷波滤波器：陷波滤波器是阻带很窄的带阻滤波器。由于阻带很窄，因此这些滤波器具有很高的品质因数。

全通滤波器：全通滤波器允许通过所有频率，但修改它们之间的相位关系。因此，在全通滤波器的输出处，不同的频率范围彼此之间具有相位差。全通滤波器的频率响应图具有相移的频率，如下图所示。

5：该图显示了全通音频滤波器的相移频率响应

均衡器滤波器-均衡器滤波器不会完全衰减或通过特定范围的频率，而是根据频率相关函数可变地放大频率。

基于频率响应和构造，可以将滤波器分为以下几类：

1）无源高通滤波器

2）有源高通滤波器

3）无源低通滤波器

4）有源低通滤波器

5）无源带通滤波器

6）有源带通滤波器

7）无源带阻滤波器

8）有源带阻滤波器

无源高通滤波器：高通滤波器可阻挡较低频率的分量，并允许较高频率的分量。可以使用RC网络构建无源高通滤波器。这种类型的滤波器通常用于将音频信号的高频分量引导到高音扬声器。一个简单的无源高通滤波器如下所示。

图6：一阶无源高通音频滤波器的电路图

对于上面显示的RC网络，截止频率与电阻和电容器有关，如下所示：

fh = 1 /（2πRC）

因此，通过设置电阻和电容器的值，可以设计出具有所需截止频率的高通滤波器，在上述电路中，截止频率约为160 Hz。上面的高通滤波器将使高于160 Hz的所有频率通过，并衰减低于它的频率。

无源滤波器没有带宽限制，可以通过选择电阻器和电容器的合适值来设计。它不需要任何电源用于直流偏置。这样的滤波器需要较少的组件来设计并且具有高电流输出。然而，这些滤波器不能放大音频信号，并且如果使用电感器来构造它们，则它们既昂贵又笨重。

有源高通滤波器：可以使用晶体管或运算放大器来设计有源高通滤波器，一个简单的有源高通滤波器（一阶滤波器）如下所示：

图7：一阶有源高通音频滤波器的电路图

该滤波器在RC网络的输出端使用OPAM（运算放大器），使其成为有源滤波器。当RC网络阻止低频分量时，OPAM会放大许可的频率范围。由于RC网络连接到运算放大器的同相输入引脚，因此其输出不会反相。但是，如果将其连接到OPAM的反相引脚，则音频信号输出将与音频信号输入异相180度。

此过滤器没有加载效果。OPAM具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此它们不受源和负载的影响。滤波器具有非单位增益，通常非常高。因此，音频信号输出不仅无噪声，而且还可以放大。这些滤波器的尺寸也很小，并且通常，其设计中使用的IC或晶体管并不笨重。但是，有源滤波器设计涉及更多的组件，这些组件的偏置需要直流电源。因此，滤波电路需要一个外部电源来工作。而且，由于使用运算放大器，滤波器电路具有带宽限制。

无源低通滤波器：可以使用RC网络或RL网络（用于一阶滤波器）构建无源低通滤波器。可以使用RLC网络构建二阶低通滤波器。通过将许多一阶滤波器串联在一起，可以设计出可以更精确地过滤音频信号的高阶低通滤波器。在简单的无源低通滤波器中，输入音频信号通过电阻器（而不是像高通滤波器中的电容器）。电容器连接在电阻器和地之间。

8：一阶无源低通音频滤波器的电路图

下式给出了该滤波器的截止频率：

fl = 1 /（2πRC）

滤波器允许截止频率以下的所有频率通过，但衰减截止频率以上的频率。这些滤波器没有任何带宽限制，并且不需要任何电源即可运行。这些通常用于将音频信号的低频分量驱动到低音扬声器。

有源低通滤波器：有源低通滤波器在低通RC，RL，RLC或多阶无源滤波器之前的输出端使用运算放大器或晶体管放大器。运算放大器在传送到功率放大器或扬声器之前先放大允许的低频分量。OPAM提供的增益是这种滤波器的主要优点。但是，这样的滤波器具有带宽限制，并且需要用于偏置OPAM或晶体管电路的DC源。

无源带通滤波器：带通滤波器是通过组合低通和高通滤波器而设计的。它通常使用RLC网络构建。一个简单的无源带通滤波器如下所示。

图9：一阶无源带通音频滤波器的电路图

在上面所示的带通滤波器中，高通滤波器与低通滤波器串联连接。高通滤波器的截止频率实际上是该带通滤波器的较低截止频率。低通滤波器的截止频率实际上是该带通滤波器的较高截止频率。因此，仅允许位于组合的高通和低通滤波器的频率切线之间的频率通过输出。

这些滤波器通常用于将特定范围的频率引导至中档驱动器。由于构造中组件数量的增加，这些滤波器的体积非常大。

有源带通滤波器：有源带通滤波器的运算放大器或晶体管放大器在无源带通电路之后的输出之前连接。运算放大器放大允许的频带。在这种滤波器中，OPAM的带宽必须与带通滤波器的期望带宽匹配。

无源带阻滤波器：带阻滤波器会衰减一定范围的频率，并允许通过频率低于其较低的截止频率而高于其较高的截止频率。（一阶）无源带阻滤波器通常使用RLC网络构建，其中输入信号通过电阻器传递。LC网络连接在电阻和地之间。一个简单的无源带通滤波器如下所示。

10：一阶无源带阻音频滤波器的电路图

这样的电路是高通和低通滤波器的并联组合。高通滤波器的截止频率是该带阻滤波器的较高截止频率，而低通滤波器的截止频率是该带阻滤波器的较低截止频率。因此，仅允许不包括组合的高通和低通滤波器的截止频率之间的频率的频率在输出端通过。这些滤波器也称为带阻滤波器，带阻滤波器和T陷波滤波器。

有源带阻滤波器：有源带阻滤波器的输出端有一个运算放大器或晶体管放大器，用于放大允许的频率信号，然后再将它们传递给功率放大器或音频驱动器。使用此类放大器的OPAM必须具有合适的带宽，以匹配带阻滤波器的所需频率曲线。

在音频过滤器的上下文中很少使用术语。这些术语中的一些将在下面说明。

1）带宽：这是滤波器允许通过的频率范围。带宽可以定义为上限和下限截止频率之差。有时也称为“通带带宽”。带宽决定了滤波器组内滤波器的频率响应频率范围。 下图显示了低通滤波器的频率响应曲线的带宽-

11：该图显示了其频率曲线中所示音频滤波器的带宽

2）品质因数（Q因子）：品质因数描述了谐振器电路中的损耗。每个周期存储在谐振器中的能量与提供给谐振器的能量之比，以保持信号恒定幅度。Q越大，意味着损失越少，反之亦然。

Q =（能量存储/每个周期损失的能量）

就带宽而言，Q由以下公式确定：

Q =（fc / BW）

fc =谐振频率

BW =带宽或谐振宽度

可以使用音频滤波器的频率曲线确定Q因子：

图12：从音频滤波器的频率曲线上观察到的音频滤波器的品质因数的图像