有源滤波器及其应用

大家知道，交流电经过整流电路之后变为脉动的直流电，其中包含大量的交流成分。为了获得比较平滑的直流电压，可通过滤波器进行滤波。滤波器可以只用一些无源元件（例如，电阻和电容）组成，也可以用无源元件结合有源元件（例如晶体管）组成，前者是普通的无源滤波器，后者便是我们所要介绍的有源滤波器。

图1是一个桥式整流RC滤波电路。图中电容C\(_{1}\)、C2和电阻R组成π型滤波器（三个元件形成一个“π”字形）。从整流器输出的脉动电压，含有大量的交流成分，经过电容C\(_{1}\)滤波，大部分交流量被旁路，在C1两端得到纹波较小的电压U\(_{i}\)。电压Ui加在R和R\(_{L}\)（其上并有C2）组成的分压器上，分压后从R\(_{L}\)两端得到输出电压U0。因U\(_{i}\)中的交流成分主要加在R和C2上（通常C\(_{2}\)对交流的容抗远小于RL，与R\(_{L}\)相比，C2起主要作用），C\(_{2}\)的容抗又远小于R，所以交流成分几乎全降在R上，使C2两端（也就是输出端）的纹波电压大为减小。

从上面的分析可知，对于这种滤波器，只有当R和C\(_{2}\)之值较大时，才能获得好的滤波效果。这是因为：R之值越大，分去的纹波电压越大，C2两端的交流压降越小；C\(_{2}\)越大，越易于将交流成分旁路，于是输出电压的纹波越小。但R和C2之值又不能取得太大。R太大，其上的直流电压损失也大，使输出的电压U\(_{0}\)减小。C2之值太大，则其体积、重量和成本也相应增加，这是我们所不希望的。可见，改善滤波性能和减小直流电压损失，以及减小设备体积等存在着矛盾。为了解决这个矛盾，可采用有源滤波器，它可用容量较小的滤波电容达到较好的滤波效果，其直流电压的损失也非常小。

有源滤波器又称电子滤波器。它是在π型RC滤波器的基础上接入晶体管组成的，其电路如图2所示。被滤波的电压从左边输入，滤波后从右边输出。图中，晶体管接成射极跟随器的形式，π型滤波器接在晶体管的基极，显然，它不直接对通过发射极的负载电流I\(_{L}\)进行滤波，而是对基极电流进行滤波。对于C1、R\(_{B}\)和C2组成的π型滤波器，因通过R\(_{B}\)的电流IB很小（与I\(_{L}\)相比），即使RB之值取得很大，也不会损失太大的直流电压。所以能够在不加大C\(_{2}\)的情况下，采用较大的RB来获得较好的滤波效果。于是从C\(_{2}\)两端可以得到脉动成分很小的电压UC2。U\(_{C2}\)又加到晶体管的基极，并从发射极输出。由于跟随器的基极电压近似等于发射极电压，故从发射极输出的电压也是平滑的。这就是说，因滤波电路引进了晶体管，可以在基极回路中获得较好的滤波性能，并反映到发射极，因而使有源滤波器的输出接近理想的直流电压。

下面进一步分析滤波器损失直流电压的情况。从图2中看出，滤波器损失的直流电压，基本上等于晶体管的管压降，其大小为U\(_{CE}\)=IBR\(_{B}\)＋UBE≈I\(_{B}\)RB。由于U\(_{CE}\)≈IB·R\(_{B}\)=IL1+β·R\(_{B}\)=IL·R\(_{B}\);1+β，即直流电压的损失等于负载电流IL与电阻\(\frac{R}{_{B}}\)1+β的乘积，故可认为管压降是负载电流IL流过电阻R\(_{B}\);1+β产生的。这相当于把基极电阻RB折合到发射极回路，其阻值由R\(_{B}\)变为RB1+β，大大减小了。于是，在同样的滤波效果情况下，直流电压的损失也大大减小，使转换效率（经过整流滤波交流转换成直流的效率）大为提高。

在这个电路中，主要的滤波电容是C\(_{2}\)，它接在晶体管基极，与RB组成普通滤波器。如上所述，R\(_{B}\)之值允许取得大一些，即使C2之值不是很大，滤波器也具有较好的性能。下面再具体分析一下C\(_{2}\)接在基极回路中所发挥的作用。若基极电流的交流成分为ib（见图3），则基极对地产生的交流电压u\(_{b}\)≈ib·\(\frac{1}{ωC}\)\(_{2}\)（因C2对交流的容抗比较小，交流i\(_{b}\)主要流过C2）。若C\(_{2}\)不接在基极，而接在发射极，以C＇2表示，设发射极电流的交流成分为i\(_{L}\)，则发射极对地的交流电压u0≈i\(_{L}\)·1;ωC2＇=（1+β）i\(_{b}\)·\(\frac{1}{ωC＇}\)2（因C\(_{2}\)＇对交流的容抗较小，iL主要流过C\(_{2}\)＇）。要使两种情况下获得同样的滤波效果，即要求它们的交流电压相等，必有ib·1;ωC\(_{2}\)=（1+β）ib·\(\frac{1}{ωC＇}\)\(_{2}\)）所以C2＇=(1+β)C\(_{2}\)。可见，在基极接一个容量为C2的电容所起的滤波作用，相当于在发射极接一个容量为（1＋β）C\(_{2}\)的电容。因此，利用有源滤波器可以大大减小滤波电容的容量，体积和成本。

图4所示的有源滤波器，其滤波效果更好。一方面，增多了基极滤波网络的级数，接入由R\(_{1}\)C1和R\(_{2}\)C2组成的两节滤波器。另外，采用了由BG\(_{1}\)、BG2组成的复合管，大大增加了β值（β≈β\(_{1}\)β2，β\(_{1}\)、β2分别为BG\(_{1}\)和BG2的电流放大系数）。因此，对同样的负载电流I\(_{L}\)，所对应的基极电流就更小，这就可以取更大的RB之值，充分发挥基极回路的滤波性能。滤波电容C\(_{2}\)可用得更小，或容量不变也将取得更好的滤波效果。

平滑滤波器的特点是让直流通过，而把交流成分旁路掉。它既能用于电源滤波来获得平滑的直流电压，也可用于退耦电路，防止因交流信号的相互耦合而造成干扰。下面介绍几个实例。

在XWD系列自动电位差计中，用于JF－12型放大器的电源如图5所示。为了既获得较好的滤波效果，又减小设备的体积，采用了有源滤波器。图中，R、C\(_{1}\)和C2组成π型滤波器，R\(_{B}\)、C3和晶体管组成有源滤波网络，R\(_{fz}\)是电源的负载。该电路的特点是，在全波整流器和有源滤波器之间，加了一个π型滤波器，使滤波性能进一步提高。

图6是一稳压电路中的比较放大器的供电电源。这个电路不仅采用了有源滤波器，而且接入了硅稳压管稳压电路。所以它既有较好的滤波效果，又有一定的稳压性能。图中R\(_{B}\)有两个作用，第一，它和C1、C\(_{2}\)组成π型RC滤波器，保证复合管基极回路的滤波作用；第二，它又充当限流电阻，和DZ组成硅稳压管稳压电路。稳定电压U\(_{DZ}\)从B点输出，加到BG1的基极。由于复合管接成跟随器的形式，所以从BG\(_{2}\)发射极输出的电压也是稳定的，因此该电路具有滤波和稳压双重功能。

在图5和图6所示的电路中，晶体管都和外接负载R\(_{fz}\)串联。初看起来，它们好像是串联型稳压电源中的调整管，但这里没有取样电路和比较放大器，晶体管不能起调整作用。所以这样的电路不具备串联型稳压电源那种稳压性能（图6中只是硅稳压管起稳压作用）。

如所周知，晶体管收音机中，各级管子的回路电流都通过电池，在电池内阻上将产生信号压降，使电源两端的电压发生波动。若直接用它给前级放大器提供偏置，会把波动的成分带给前级（通过偏置电阻影响基极），形成正反馈，甚至引起自激振荡。其中末级放大器的输出最强，在电池内阻上产生的信号压降最大，对前级的影响也最大。通常在末级与前几级放大器的电源线之间，加接退耦电路，消除可能产生的不良后果。在春雷3P2型收音机中，低频部分采用一般的RC退耦电路，而变频和中放级的电源，则采用有源滤波网络进行退耦（图7）。图中R\(_{26}\)相当于图2中的RB，C\(_{47}\)相当于C2。图7除在晶体管基极接电容C\(_{47}\)之外，还在输出端并联一只大电容C46，进一步加强退耦效果。又因大电容的分布电感也大，虽然对低频信号影响不大，但不能使高频电流畅通。为此，在C\(_{46}\)上又并联一只小电容C44（小电容的分布电感也小），于是高频成分也能被旁路，使退耦效果恰到好处。

在电视机中也有与上述类似的情况。例如，全国联合设计的31厘米黑白电视机，场扫描采用OTL输出电路。为了改善线性，输出的偏转线圈通过小电阻（0.39Ω）接地，把该电阻上的取样电压馈送到场激励级，形成负反馈。这样的输出电路，会在电源线上产生干扰，而且这种干扰能串到场振荡级，使图象上下抖动。为了避免这种情况，在振荡级与OTL输出级的电源线之间，加入一个有源滤波网络（见图8），将干扰信号去掉。顺便指出，行振荡级的电源也接在有源滤波网络之后，这样也防止上述干扰影响行扫描电路。

以上我们分析的仅是采用晶体管组成的平滑滤波器。如果把运算放大器作为一个有源单元，它可以和电阻、电容等组成具有各种性能的有源滤波器。例如：高通滤波器，低通滤波器和带通滤波器等等。限于篇幅，这里就不作介绍了。(林萌森)