news 2026/6/13 14:25:00

轻松掌握:低通滤波器截止频率与Q值计算

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张小明

前端开发工程师

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轻松掌握:低通滤波器截止频率与Q值计算

1、RC低通滤波器

图1.1 RC低通滤波器

RC低通滤波器如图1.1 所示,电阻R 串联电容C,输入电压记为 Ui ,输出电压记为 Uo。

电容的容抗记为,其中ω = 2πf

根据串联分压,列出传递函数

将①式最右侧的分子与分母各乘以 1-jωRC,这样分母变为实数,可得

计算该复数的模值,即幅频特性

复数的模值代表了电压增益,当电压增益下降至-3dB(0.707)倍】时,即Ac = 0.707*Au,此时的频率f = fc即为截止频率,如下图1.2 所示。有关 -3dB、0.707倍、截止频率三者之间关系的详述请移步:-3dB、0.707与截止频率。

图1.2 电压增益-3dB点

截止频率记作 fc(f:frequrency,c:cutoff),可得

通过化简③式,最终可求得截止频率:

2、LC低通滤波器

图2.1 LC低通滤波器

LC低通滤波器如图2.1 所示,电感L 串联电容C,输入电压记为 Ui ,输出电压记为 Uo。

电感的感抗记为,电容的容抗记为,其中ω = 2πf

▲对于如图2.1 所示的 LC低通滤波器,其总阻抗Z 是电感和电容阻抗的串联:,将j带到式子外面,转化为纯复数形式:

截止频率fc​ 是指滤波器开始显著衰减信号的频率。在截止频率处,电感和电容的阻抗相等且互为相反数(即它们的虚部大小相等但符号相反),从而总阻抗的虚部(Image)

图2.2 阻抗三角形

因此,我们设置:。将ω = 2πf代入上式,得到:,求解左边的方程最终得。在线计算:RC低通/高通滤波器计算器。

3、品质因数Q值

▼理想情况下,发生 LC串联谐振时,其串联阻抗为 0,但实际情部下往往如下图3.1 所示。

图3.1 RLC串联谐振

谐振品质因数(Quality Factor简称 Q值)是衡量谐振电路性能的一个重要参数,它反映了谐振电路在谐振频率附近的能量存储能力和损耗情况,以及滤波器的频率特性和带宽。

Q值是在发生串联谐振的时候,此时(如图2.2),也可以写成:

连立这两个式子并代入 ①式可得:。可以看出 Q 与频率已经无关,只与 R、L、C 相关。

图3.2 截止频率fc的点就是串联谐振点

▼对于 LC串联电路在发生谐振时,阻抗的模最小,等于电阻R,电源电压不变的条件下,电路中的电流I为最大值

若电路中电阻很小,容抗远大于电阻值,也就是,则有。因此,串联谐振又称为电压谐振。电容与电感上的电压远大于电源电压,这也是 1个弊端,容易造成设备绝缘击穿。

在谐振电路中,Q值与通频带宽度(BW)成反比,公式为:。Q值越大,相对带宽越窄。带宽窄了,能适用的应用环境就小了。


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