【LTspice学习笔记】滤波电路设计

本文是一个大三自动化专业本科生就无源/有源滤波器电路相关仿真设计的实验学习与记录过程，并对滤波器的一些原理特性以及亚诺德半导体公司开发的滤波器设计工具做简单介绍。

一、设计要求

（1）设计无源低通滤波器，其截止频率为482KHZ 左右.

（2）设计N阶有源滤波器，其截止频率为482KHZ 左右.

二、滤波器相关介绍

滤波器是一种能够允许信号中特定频率成分通过，同时显著衰减其他频率成分的选频装置。滤波器的工作原理是在设定的通频带内，衰减程度较小，从而确保能量的顺畅传输；而在通频带之外，衰减程度急剧增加，从而有效抑制非必要能量的传递，进而滤除与所需传输信号频率不符的干扰成分。以下为常用滤波器及其应用场景：

低通滤波器：利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的特性来实现对不同频率信号的筛选，可减少高频噪声对信号的影响，常用于对高频干扰较为敏感，需要保留低频有效信号的情况，如音频处理中增强低音效果、监控摄像头的视频信号传输电路中滤除高频杂波等。

高通滤波器：能剔除低频干扰噪声，适用于干扰频率主要集中在低频段，而需要获取高频有效信号的应用场景，比如声发射检测仪中、某些需要提取高频特征信号的传感器电路等。

带通滤波器：常用于只对某一特定频率范围的信号感兴趣，需要提取该频段信号并阻隔其他频段信号的场合，如通信接收机的天线端口上安装带通滤波器仅允许通信信号通过、收音机内部电路通过带通滤波器实现选台功能等。

带阻滤波器：适用于干扰信号集中在较窄的某一频段，而需要让其他频段信号正常通过的情况，比如距离大功率电台很近的电缆端口处安装阻带频率等于电台发射频率的带阻滤波器来消除特定频率的干扰信号等。

无源滤波器：

无源滤波器仅使用电阻（R）、电感（L）和电容（C）元件，因此不需要外部电源来操作。由于只有电阻元件可能导致能量消耗（如热量），因此无源滤波器通常会有一定的能量损失。无源滤波器不会因电流变化引起不稳定性，因此具有较高的稳定性和可靠性。无源滤波器不能放大信号，其输出信号通常低于输入信号，或者在某些频率下具有零增益。无源滤波器的输出与输入信号之间的关系通常是线性的，适用于大多数线性信号处理场景。

有源滤波器

增益：有源滤波器能放大信号，因此不仅能滤波，还能补偿信号的衰减。

组成：有源元件（如运算放大器、晶体管、场效应晶体管等）以及无源元件（如电阻、电容、电感）来实现信号滤波的电路。

适用范围：低频中频几十Hz至几百kHz

三、设计无源低通滤波器

首先根据实验设计要求，低通滤波器主要是选取低频信号。假设f1>f0，当低通滤波器输入频率范围0~f1的信号时，经过低通滤波器输出最高f0的信号。那么这里的f0称为截止频率。低通滤波器只能通过频率低于f0的言号。将电路原理图在LTspice中画出：

根据公式 $f=\frac{1}{2\pi RC}$ ,再结合设计要求中的482KHz，计算出合适的电阻值330Ω，电容1000pf。注意以下项的设置。

仿真结果：通过图中可以看出达到了-3dB时正好是在482KHz截止频率，此时的相位在45°左右。

四、设计有源低通滤波器

有源滤波器可以提供增益，因此在信号衰减的情况下，它能够补偿信号的损失。而无源滤波器不能提供增益，通常只会衰减信号。有源滤波器使用的是电子元件（如运算放大器、晶体管等），因此它们通常可以做得比较小，适合于需要紧凑设计的应用。对应地成本会低一些。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波器电路还具有一定的电压放大和缓冲作用。

这部分的设计借助于滤波设计向导：滤波器设计工具 | 滤波器设计向导 | Analog Devices

选择需要设计的滤波器类型就可以进入，这里选择低通，进入详情界面之后，可以通过左面框中的界面调整阻带和通带参数进而调整Bode图。