电子滤波器

**電子濾波器**（英語：electronic filters）可執行訊號處理功能的電子線路元件或裝置，它專門用於去除訊號中不想要的成分或者增強所需成分。

電子濾波器有音訊濾波器（wave filter）與**雜訊濾波器**（noise filter）等應用裝置，可以是：

* 被動的或者主動的
* 類比的或者數位的
* 離散時間（取樣）的或者連續時間的
* 線性的或者非線性的
* 無限脈波回應（IIR）或者有限脈波回應（FIR）

不管它們的設計有什麼不同，最常見的電子濾波器類型是線性濾波器。參見線性濾波器方面的文章中關於它們的設計和分析的詳細內容。

## 歷史

早在 19 世紀 80 年代，電阻、電容濾波電路就已經出現。具有頻率選擇功能的電感、電容諧振電路可作為最簡單的濾波器。

於 1915 年德國 K.W. 華格納和美國貝爾實驗室的 G.A. 坎貝爾，分別提出關於濾波器的論文，已被世界公認為濾波器的獨立發明者。

1923 年以後，貝爾實驗室的 O.J. 查貝爾提出定 K 型、m 誘導型影像參數濾波器設計方法。

1939 年德國 W. 考爾和美國 S. 達靈頓分別提出工作參數濾波器設計理論。由於許多電路和系統都要區分不同頻率的訊號，濾波器遂被廣泛地用在通訊、廣播、雷達以及許多儀器和裝置中。

許多複雜的多極 LC 濾波器也已經存在了好多年了，有許多這方面的書籍講述這類濾波器的工作。

最古老的電子濾波器形式是使用電阻和電容或者電阻和電感構建的無源類比線性濾波器，它們分別叫做 RC 和 RL 單極濾波器。

人們也開發了一些混合濾波器，典型的例子有將類比放大器與機械共鳴器或者延時線組合在一起。如 CCD 延時線這樣的裝置也用作離散時間濾波器。由於數位訊號處理的廣泛應用，主動數位濾波器已經變得常見。

## 按照濾波技術分類

### 被動式濾波器（被動式濾波）

#### 單極型

最簡單的線性濾波器的電子實現是電阻、電感和電容的組合。這些濾波器有 RC、RL、LC 和 RLC 等多種形式。所有這些類型的濾波器總稱為_被動式濾波器_，這是因為它們都不需外部電源供電。

電感阻止高頻訊號通過而允許低頻訊號通過，電容的特性卻相反。訊號能夠通過電感的濾波器、或者通過電容連接到地的濾波器對於低頻訊號的衰減要比高頻訊號小，稱為_低通濾波器_。如果訊號通過電容、或者通過電感連接到地，那麼濾波器對於高頻訊號的衰減要比低頻訊號小，稱為_高通濾波器_。電阻自身沒有頻率選擇的特性，但是加入到電感和電容一起決定電路的_時間常數_，因此也決定了相應的頻率。

在大概超過 100 MHz 這樣非常高的頻率，有時電感由一個單環或者金屬片組成，電容由相鄰的金屬片組成，它們稱為 stubs。

#### 多極型

二階濾波器用 Q 因數來衡量。如果一個濾波器通過或者阻止的頻率頻寬與中心頻率相比非常狹窄那麼就說這個濾波器有很高的 _Q_ 因數。_Q_ 定義為中心頻率 / 3dB 頻寬。

### 主動濾波器（主動式濾波）

主動濾波器使用無源和主動放大元件組成，運算放大器經常用於主動濾波器設計。主動濾波器能夠不使用電感就實現高 Q 因子和諧振。但是，它們的頻率上限受制於所用放大器的頻寬。

### 開關電容濾波器

較主動式濾波以開關電容電路代替電阻。

### 數位濾波器

數位訊號處理可以用於廉價地構建不同類型的濾波器。訊號經過取樣、模數轉換轉變成數位流，經常使用執行在中央處理器或者特殊的數位訊號處理器的電腦程式而不是硬體演算法來計算輸出的數位流，它的輸出然後通過數模轉換轉變成訊號。在轉換過程中可能會產生雜訊，但是對於許多有用的濾波器來說它們可以控制和限制的。由於涉及到取樣，所以輸入訊號必須限定在一定的頻率，否則就會產生混疊。

### 電源濾波器

電源濾波器是指裝設於交流電源側的雜訊濾波器（Noise Filter），用來消除干擾雜訊的元件，將輸入或輸出經過過濾而得到純淨的交流電，可將內部雜訊控制於內部中，防止雜訊藉由電纜線傳導到其他電器中。。

### 其它濾波器技術

#### 石英濾波器和壓電技術

在二十世紀三十年代晚期，工程師發現如石英這樣的堅硬材料製成的小型機械系統將會在從可聽見的聲音頻率到幾百兆赫茲的無線電頻率發生聲學諧振。

一些早期的諧振器是用鋼製成的，但是很快石英就流行起來。石英的最大優點是它是壓電式的，這就意味著石英振盪器可以直接將它們自身的運動轉化成電子訊號。另外石英隨溫度變化的係數很小，這就是說石英振盪器能夠在很大的溫度變化範圍內保持穩定的頻率。

石英晶體濾波器的品質因數遠遠高於 LCR 濾波器。當需要更高的穩定性時，晶體和驅動電路能夠放到一個「晶體箱」中控制溫度變化。對於極窄頻寬的濾波器，有時需要序列使用幾個晶體。

工程師發現可以在石英晶體上蒸發金屬成梳狀從而可以將多個晶體疊加成一個元件，在這種機制下，「抽頭（tapped）延時線」在聲波滑過石英晶體表面時能夠增強所要頻率。抽頭延時線已經成為多種實現高 _Q_ 濾波器方法的一個通用機制。

#### 表面聲波濾波器

表面聲波濾波器是經常用於無線電頻率應用的機電裝置，電子訊號在壓電晶體中轉化為機械波；這個波在通過晶體傳播時發生延時；後面的電極將它轉換成電訊號。延時的輸出訊號組合在一起成為有限脈波回應濾波器的一個直接的類比實現。這種混合濾波技術也見於類比取樣濾波器中。

#### 石榴石濾波器

另外一種實現從 800MHz 到 5GHz 微波頻率濾波的方法是使用一個釔和鐵化合作用製造的單晶釔鐵石榴石球（YIGF 或者釔鐵石榴石濾波器）。石榴石位於電晶體驅動的金屬帶上，一個小型的環形天線連到球體頂端。電磁場將會改變石榴石允許通過的頻率。這種方法的一個優點是能夠通過改變磁場強度在很寬的範圍內調整頻率。

#### 原子濾波器

對於更高頻率和更高精度要求，需要使用原子震動。原子鐘使用銫激勵器作為超高 _Q_ 濾波器穩定主振盪器。另外一個用於帶有微弱無線電訊號的高固定頻率場合的方法是使用紅寶石激勵器 tapped 延時線。

#### 匹配濾波

匹配濾波（matched filtering），是濾波方法最好的一種。當輸入訊號具有某一特殊波形時，其輸出達到最大。在形式上，一個匹配濾波器由以按時間反序排列的輸入訊號構成。且濾波器的振幅特性與訊號的振幅譜一致。因此，對訊號的匹配濾波相當於對訊號進行互相關運算。雷達成像時，通過匹配濾波輸出脈波頻寬就是其應用實例。

## 根據傳遞函式分類

## 總的分類

* 低通濾波器
* 高通濾波器
* 帶通濾波器
* 帶阻濾波器
* 全通濾波器
* 雜訊濾波器

## 特殊設計

* 切比雪夫濾波器
* 高斯濾波器
* 橢圓函式濾波器

## 參見

* 類比濾波器
* 數位濾波器
* 被動式濾波器
* 主動濾波器
* 線性濾波器
* 非線性濾波器
* 電壓控制濾波器
* 諧振
* Q 因數
* 音訊濾波器
* 音調控制電路
* ADSL 寬頻濾波器

## 外部連結和參考文獻

* Zverev, Anatol, I. Handbook of Filter Synthesis. John Wiley & Sons. 1969. ISBN 978-0-471-98680-5.  Catalog of passive filter types and component values. The Bible for practical electronic filter design.
* Williams, Arthur B & Taylor, Fred J. Electronic Filter Design Handbook. McGraw-HillT. 1995. ISBN 978-0-07-070441-1.
* Adel Sedra Peter Brackett Filter Theory and Design: Active and Passive Matrix Publisher 1978 Oregon
* National Semiconductor AN-779 application note describing analog filter theory
* Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Detailed explanation of all types of filters