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RC低通滤波器截止频率公式推导

月光疾風 2023-04-26 原文

一阶RC低通滤波器

一阶RC滤波器如图所示,电阻 R R R串联电容 C C C,输入电压记为 U i U_i Ui,输出电压记为 U o U_o Uo,电容容抗记为 X c = 1 j ω c X_c=\frac{1}{j\omega c} Xc=c1

根据串联分压,列出传递函数,
H ( j ω ) = U o U i = X c R + X c = 1 j ω c R + 1 j ω c = 1 1 + j ω R C H(j \omega)=\frac{U_o}{U_i}=\frac{X_c}{R+X_c}=\frac{\frac{1}{j\omega c}}{R+\frac{1}{j\omega c}}=\frac{1}{1+j\omega RC} H()=UiUo=R+XcXc=R+c1c1=1+RC1
复数为分母,实数为分子,不方便我们后续计算复向量的模,这里做一下简单的变换,给出变换的过程。
假设有复数 Z = a + b j Z=a+bj Z=a+bj,则倒数为 1 Z = 1 a + b j \frac{1}{Z}=\frac{1}{a+bj} Z1=a+bj1,分子分母同乘以 a − b j a-bj abj,即有,
1 Z = a − b j ( a + b j ) ( a − b j ) = a − b j a 2 + b 2 \frac{1}{Z}=\frac{a-bj}{(a+bj)(a-bj)}=\frac{a-bj}{a^2+b^2} Z1=(a+bj)(abj)abj=a2+b2abj
带入可得,
H ( j ω ) = U o U i = 1 − j ω R C 1 + ( ω R C ) 2 H(j \omega)=\frac{U_o}{U_i}=\frac{1-j\omega RC}{1+(\omega RC)^2} H()=UiUo=1+(ωRC)21RC

计算该复数的模,则有,
∣ H ( j ω ) ∣ = ( 1 1 + ( ω R C ) 2 ) 2 + ( ω R C 1 + ( ω R C ) 2 ) 2 = 1 1 + ( ω R C ) 2 |H(j \omega)|=\sqrt{(\frac{1}{1+(\omega RC)^2})^2+(\frac{\omega RC}{1+(\omega RC)^2})^2}=\sqrt{\frac{1}{1+(\omega RC)^2}} H()=(1+(ωRC)21)2+(1+(ωRC)2ωRC)2 =1+(ωRC)21
复数的模代表了电压增益,当电压增益下降到 2 2 \frac{\sqrt2}{2} 22 倍时,此时的频率即为截止频率,记为 f c f_c fc,那么就有,
∣ H ( j ω ) ∣ = 1 1 + ( ω R C ) 2 = 2 2 |H(j \omega)|=\sqrt{\frac{1}{1+(\omega RC)^2}}=\frac{\sqrt2}{2} H()=1+(ωRC)21 =22
化简可得,
ω R C = 1 = 2 π f c R C \omega RC=1=2\pi f_cRC ωRC=1=2πfcRC
求得截止频率 f c f_c fc
f c = 1 2 π R C f_c=\frac{1}{2\pi RC} fc=2πRC1

二阶RC低通滤波器

二阶RC滤波器如图所示,可见由两个一阶电路构成。第一个一阶电路的电阻记为 R 1 R1 R1,电容记为 C 1 C1 C1;第二个一阶电路的电阻记为 R 2 R2 R2,电容记为 C 2 C2 C2,,输入电压记为 U i U_i Ui,输出电压记为 U o U_o Uo,电容容抗记为 X c = 1 j ω c X_c=\frac{1}{j\omega c} Xc=c1(这里便于分析,取电阻 R 1 = R 2 = R R1=R2=R R1=R2=R,电容 C 1 = C 2 = C C1=C2=C C1=C2=C)。

二阶电路的分析比一阶稍繁琐,不过原理还是一样,输出电压 U o U_o Uo即为电容 C 2 C2 C2上的压降,电容C2上的压降来自于电容 C 1 C1 C1上压降的分压。

梳理完电路结构,列出传递函数,
H ( j ω ) = U o U i = X c / / ( R + X c ) R + X c / / ( R + X c ) X c R + X c H(j \omega)=\frac{U_o}{U_i}=\frac{X_c//(R+X_c)}{R+X_c//(R+X_c)}\frac{X_c}{R+X_c} H()=UiUo=R+Xc//(R+Xc)Xc//(R+Xc)R+XcXc
化简可得,
H ( j ω ) = j ω R C + 1 ( j ω R C ) 2 + 3 j ω R C + 1 1 j ω R C + 1 = 1 1 − ( ω R C ) 2 + 3 j ω R C H(j \omega)=\frac{j\omega RC+1}{(j\omega RC)^2+3j\omega RC+1}\frac{1}{j\omega RC+1}=\frac{1}{1-(\omega RC)^2+3j\omega RC} H()=(RC)2+3RC+1RC+1RC+11=1(ωRC)2+3RC1
计算该复数的模,
∣ H ( j ω ) ∣ = 1 ( 1 − ( ω R C ) 2 ) 2 + 9 ( ω R C ) 2 |H(j \omega)|=\sqrt{\frac{1}{(1-(\omega RC)^2)^2+9(\omega RC)^2}} H()=(1(ωRC)2)2+9(ωRC)21
∣ H ( j ω ) ∣ = 2 2 |H(j \omega)|=\frac{\sqrt2}{2} H()=22 ,解得,
ω = 1 2.672 R C \omega=\frac{1}{2.672RC} ω=2.672RC1
求得截止频率 f c f_c fc
f c = 1 5.344 π R C f_c=\frac{1}{5.344\pi RC} fc=5.344πRC1

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