濾波器是一種電路，旨在抑制電信號中所有不需要的頻率分量，只允許所需的頻率。換句話說，濾波器是一種只允許特定頻帶的電路。

在許多應用中，電容濾波器比電感濾波器使用得更多，因為電感器會產生一些雜散磁場并消耗一些功率。不僅有這些缺點，而且如果在電路中使用電感器，濾波器會變得笨重。

此前已經介紹了關于濾波器和無源低通濾波器的一些知識。在本文中，小編將簡單介紹RC無源高通濾波器電路圖、頻率特性及功能應用等內容。

基本概念

RC無源高通濾波器類似于無源低通濾波器。當低通濾波器電路中的電容和電阻位置互換時，電路表現出高通濾波器的行為。電容與電阻串聯，輸入電壓串聯施加到電容器，但輸出僅通過電阻器。

RC高通濾波器允許高于截止頻率“fc”的頻率并阻止較低頻率的信號。截止頻率的值取決于為電路設計選擇的元件值。這些高通濾波器在10MHz的高頻范圍內有很多應用。其簡單的電路如下圖所示：

由于電路中組件發生互換，電容器傳遞的響應發生變化，所以這些變化與低通濾波器的響應完全相反。低頻下的電容器就像開路一樣，而在更高的頻率下，意味著在高于截止頻率的頻率下，電容器就像短路一樣。由于電容器的容抗，電容器將阻擋進入電容器的較低頻率。

眾所周知，電容器本身會阻止一定量的電流通過它，以便在電容器的電容范圍內結合。在截止頻率之后，由于容抗值的降低，電容器允許所有頻率。這使得電路在輸入信號頻率大于截止頻率fc時將整個輸入信號傳遞到輸出端。

在較低頻率下，電抗值增加，因此當電抗增加時，抵抗流過電容器的電流的能力增加。低于截止頻率的頻段稱為“阻帶”，截止頻率之后的頻段為稱為“通帶”。

另外，在上述電路中，只有一個帶電阻的電抗元件，這表明該電路是一階電路。

頻率響應曲線特性

關于RC高通濾波器的頻率和容抗響應曲線如下所示：

該響應曲線表明RC高通濾波器與RC低通濾波器正好相反。在高通濾波器中，直到截止頻率，所有低頻信號都被電容器阻擋，導致輸出電壓降低。在截止頻率點，電阻器“R”的值和電容器“X_c”的電抗相等，因此輸出電壓以-20dB/十倍頻程的速率增加，輸出信號電平為輸入信號電平的-3dB。

在非常高的頻率下，容抗變為零，然后輸出電壓與輸入電壓相同，即Vout=Vin。在低頻時，容抗為無窮大，因此輸出電壓為零，因為電抗會阻止電流進入電容器。

RC高通濾波器的輸出在截止頻率處相對于輸入信號具有+45°的相移角 (?)，這表明高通濾波器的輸出相對于輸入信號是超前的。在高頻 (f > fC) 下，相移幾乎為零意味著輸入和輸出信號都是同相的。

在理想情況下，濾波器將允許截止頻率點之后的頻率為無窮大，但實際上，無窮大值取決于濾波器設計中使用的組件值。此外，電容器相對于輸入信號對極板充電和放電所花費的時間導致相位差。電阻與電容串聯會產生充放電效果。

串聯RC電路的時間常數定義為電容器充電到最終穩態值的63.2%所用的時間，也定義為電容器放電到穩態值的36.8%所用的時間。這個用符號“τ”表示。時間常數與截止頻率的關系如下：

時間常數τ=RC= 1?2πfc，ω_c= 1/τ = 1/RC。

很明顯，濾波器的輸出取決于在輸入端應用的頻率和時間常數。截止頻率' fc' = 1/ 2πfc，相移 (?) = tan-1(2πfRc)。

輸出電壓和增益

RC高通濾波器電路阻抗為：

輸出電壓為：

所以，RC高通濾波器的輸出電壓和增益可以表示為：

簡單示例

現在考慮一個電容值為82pF，電阻值為240 kΩ的高通濾波器。那么，通過這些值可以計算濾波器的截止頻率為：fC= 1/(2πRC) = 1 / (2π x 240 x 103x 82 x 10-12) = 8.08 kHz。

二階無源高通濾波器

通過級聯兩個一階高通濾波器，可以得到二階RC高通濾波器。由于它由兩個電抗元件組成，這意味著有兩個電容器，使電路成為二階電路。這種兩級濾波器的性能等同于單級濾波器，但濾波器的斜率在-40dB/十倍頻處獲得。

這是因為截止頻率的變化。與一階RC高通濾波器相比，它更有效率，因為它有兩個存儲點。

對于二階濾波器，截止頻率將取決于兩個電容器和兩個電阻器的值。可以通過公式給出：fc= 1/ (2π√(R1C1R2C2)) Hz。

簡單總結

RC高通濾波器允許大于截止頻率的頻率到無窮大。在實際情況下，無窮大不存在，因此該無窮大值取決于電路設計中使用的組件。高通濾波器允許的頻帶稱為“通帶”，該通帶只不過是濾波器的帶寬。被濾波器衰減的頻帶稱為“阻帶”。

此外，截止頻率是使用上面的“fc”公式計算而來。輸出信號的相移以+45°的角度領先于輸入信號。輸出電壓將取決于時間常數和應用于電路的輸入頻率。

與RC低通濾波器相比，高通濾波器消除的失真更準確，因為電路中使用了高頻。

RC高通微分器

對于正常的正弦波輸入，濾波器的性能就像一階高通濾波器。但是，當應用不同類型的信號而不是正弦波（如方波）時，它會給出時域響應（如階躍或脈沖）作為輸入信號，這種情況的電路行為就像一個微分器電路。

因此，輸入的導數與電路的輸出成正比的電路稱為微分器電路。

這樣候，當向電路施加恒定輸入時，輸出變為零，因為該常數的導數趨于零。RC微分電路如下圖所示：

可以看出，對于方波輸入信號，輸出波形顯示為持續時間短的脈沖。對于一個完整的輸入周期，會出現兩個具有正脈沖和負脈沖的尖峰信號。在這個過程中，輸出信號的幅度不會發生變化。如果輸入信號頻率增加，則輸出處的脈沖寬度會增加。尖峰脈沖的衰減率取決于時間常數。

主要應用

可用于音頻放大器電路中，作為高音頻交叉頻率的一部分，通過阻止低音信號到高音揚聲器類型的信號。

用作隆隆聲濾波器以阻止附近不需要的信號并在揚聲器中傳遞所需的信號。

用于交流耦合電路和微分電路。

在每個通道條的混音過程中，會添加這些高通濾波器。

在圖像處理中，高通濾波器用于在編輯需要高增強濾波器的去銳化過程中。

在圖像處理中，可以在時域或頻域中進行降噪。因此，與低通濾波器相結合，這些高通濾波器用于圖像處理中的圖像增強、噪聲抑制和修改。

在電話應用中，這些用于與低通濾波器組合的DSL分配器。

總結

簡單來說，RC無源高通濾波器就是使用無源元件電阻器和電容器組合成的濾波電路，主要作用就是通過那些頻率高于截止頻率的信號從而衰減較低頻率的信號，截止頻率的值取決于濾波器的設計。這里的電容器是電抗元件，輸出僅通過電阻器。