上一篇文章1 討論了濾波器相位與濾波器實現(xiàn)拓撲之間的關系，本篇將討論濾波器傳遞函數(shù)本身的相位漂移。雖然濾波器主要是針對幅度響應而設計的，但在延時仿真、級聯(lián)濾波器電路特別是過程控制環(huán)路等應用中相位響應非常重要。
本文主要討論低通和高通響應。后續(xù)系列文章還將討論帶通和陷波(帶阻)響應、全通響應以及濾波器的脈沖與階躍響應。
回顧以前的文章可知，有源濾波器的傳遞函數(shù)可以被看作是濾波器傳遞函數(shù)和放大器傳遞函數(shù)的級聯(lián)響應(圖1)。
圖1. 以兩個級聯(lián)的傳遞函數(shù)的形式表示的濾波器。
低通傳遞公式
首先，我們再看一下傳遞公式的相位響應。
對于單極點低通濾波器，傳遞函數(shù)的相移等于：
(1)
其中ω代表角頻率（ω = 2πf弧度每秒，1 Hz = 2π弧度每秒），ω0代表濾波器的弧度中心頻率。中心頻率也可被看作是截止頻率。就相位而言，中心頻率是相移在整個范圍一半處的頻率。由于角頻率用在比值公式中，因此f/f0完全可以代替ω/ω0。
圖2(左軸)是在中心頻率以下二十倍頻到中心頻率以上二十倍頻范圍內對公式1的求值結果。由于單極點低通濾波器具有90°的相移范圍——從0°至90°——中心頻率的相移為-45°。當ω = ω0時，歸一化中心頻率等于1。
圖2：中心頻率為1的單極點低通濾波器(左軸)和高通濾波器(右軸)的相位響應。
同樣，單極點高通濾波器的相位響應等于：
(2)
圖2（右軸）是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范圍內對公式2的求值結果。中心頻率(=1)的相移等于+45°。
如果低通通帶定義為截止頻率以下的頻率，高通通帶定義為中心頻率以上的頻率，那么最小相移(0°至45°)應在通帶內。反之，最大相移(45°至90°)發(fā)生在阻帶內(頻率高于低通截止頻率并且低于高通截止頻率)。
在低通情況下，濾波器輸出滯后于輸入(負相移)；在高通情況下，輸出領先于輸入(正相移)。圖3顯示了相關波形：輸入正弦波信號(中間曲線)，截止頻率為1kHz的單極點高通濾波器輸出信號(頂部曲線)，截止頻率為1kHz的單極點低通濾波器輸出信號(底部曲線)。信號頻率也是1kHz——兩個濾波器的截止頻率。圖中波形領先和滯后45°顯而易見。
圖3：輸入(中間曲線)、單極點高通濾波器輸出(頂部曲線)和低通濾波器輸出(底部曲線)。
二階低通濾波器傳遞函數(shù)的相移可以近似表示為：
(3)
圖4(左軸)是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范圍內對公式3的求值結果(代入α = √2 = 1.414)。這里的中心頻率等于1，相移為-90°。
圖4：中心頻率為1的雙極點低通濾波器(左軸)和高通濾波器(右軸)的相位響應。
在公式3中，α是濾波器的阻尼比，等于Q的倒數(shù)(即Q = 1/α)。它決定了幅度(和瞬態(tài))響應中的峰值和相位變化的尖銳度。α等于1.414很好地表征了雙極點巴特沃斯(最大平坦度)響應。
雙極點高通濾波器的相位響應可以被近似表示為：
(4)
圖4(右軸)是在中心頻率以下二十倍頻至中心頻率以上二十倍頻范圍內對公式4的求值結果(α=1.414)。在中心頻率(=1)點，相移為90°。
圖2和圖4只使用了一條曲線，這是因為高通和低通相位響應是相似的，只是相移分別是90°和180°(π/2和π弧度)。這等效于相位符號的改變，導致低通濾波器輸出滯后而高通濾波器領先。
在實際使用中，高通濾波器其實是一個寬帶帶通濾波器，因為放大器的響應至少會引入一個低通單極點。
圖5是雙極點低通濾波器的相位響應和增益響應，圖中給出了不同Q值時的曲線。這個傳遞函數(shù)表明，相位變化遍布在相當寬范圍的頻率上，而變化的范圍與電路Q值呈反比關系。雖然本文主要討論相位響應，但相位變化率和幅度變化率之間的關系也值得我們認真思考。
圖5：作為Q函數(shù)的雙極點低通濾波器電路的相位和幅度響應。
值得注意的是，每級雙極點電路提供最大180°的相移，在極端情況下，相移–180°，雖然滯后360°，但這個角度與180°相移具有相同的屬性?；谶@個原因，多級濾波器的傳遞函數(shù)圖形經常在一個限定范圍內，比如180°至–180°，以提高圖形讀取的準確性(見圖9和圖11)。在這種情況下，我們必須認識到，圖形上的角度實際上是真正的角度加上或減去m ×360°。雖然在這種情況下圖形的頂部和底部會出現(xiàn)不連續(xù)(因為圖形變化了±180°)，但實際相位角度的變化是平滑和單調的。
圖6給出了不同Q值下雙極點高通濾波器的增益和相位響應。這個傳遞函數(shù)表明，180°的相位變化可以發(fā)生在很大的頻率范圍內，而變化的范圍反比于電路Q值。另外值得注意的是，曲線的形狀非常類似。特別是相位響應具有相同的形狀，只是覆蓋范圍不同。
圖6：作為Q函數(shù)的雙極點高通濾波器的相位與幅度響應。
放大器傳遞函數(shù)
放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)基本上就是單極點濾波器的傳遞函數(shù)。如果是反相放大器，效果上等同于插入180°的額外相移。放大器的閉環(huán)相移通常被忽略，但如果它的帶寬不夠的話，將影響復合濾波器的總傳遞函數(shù)。本文選用了AD822進行濾波器仿真。AD822將影響復合濾波器的傳遞函數(shù)，但只是在較高頻率處，因為它的增益和相移保持在比濾波器本身的轉折頻率高得多的頻率。從數(shù)據(jù)手冊上摘錄的AD822開環(huán)傳遞函數(shù)見圖7。
圖7：AD822增益和相位波特圖。
例1：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器
下面舉一個1kHz、5極點、0.5dB的切比雪夫低通濾波器例子進行討論。選擇這個特定例子的原因如下：
1) 與巴特沃斯濾波器不同，切比雪夫濾波器各級電路的中心頻率是完全不同的，這樣能使圖形上的曲線伸展得更開一些，使得圖形更加有趣。
2) 電路的Q值一般要高一點。
3) 奇數(shù)個極點可以突出單極點和雙極點電路之間的區(qū)別。
濾波器部分采用ADI網站上提供的濾波器設計向導進行設計。
這部分電路的f0和Q見下表：
圖8是整個濾波器的原理圖。所選擇的濾波器拓撲——多反饋(MFB)——又是任意的，這種選擇使得單極點部分是一個有源積分器，而不是簡單緩沖的無源RC電路。
圖8：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器。
圖9給出了整個濾波器的各級電路的相移。圖上顯示了單獨第一級電路 (第1級——藍色)、前面兩級電路(第1和第2級——紅色)和整個濾波器(第1、第2和第3級——綠色) 的相移。這些相移包含了濾波器部分的基本相移、每個反相放大器貢獻的180°相移和放大器頻率響應對總相移的影響。
圖9：圖8所示1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫低通濾波器的相位響應。
讓人感興趣的一些細節(jié)：首先，作為凈滯后的相位響應是負相加的。由于在低頻段放大器的倒相，第一個雙極點電路開始相位是–180°（=180°以360°為模），在高頻段增加到–360°(=0°以360°為模)。第二級電路增加另外一次倒相，開始相位是–540°(=180°以360°為模)，在高頻段相位增加到–720°(=0°以360°為模)。第三級電路在低頻段的相位開始于–990°(=180°以360°為模)，在高頻段增加到–990°(=90°以360°為模)。另外需要注意，當頻率超過10kHz時，由于放大器的頻率響應，相位將發(fā)生輕度的滾降。這種滾降是累積的，每級電路都會有所增加。
例2：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器
第二個例子(見圖10)考慮的是一個1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器的相位響應。在這個例子中，濾波器采用Sallen-Key壓控電壓源(VCVS)電路而不是多反饋(MFB)進行設計(仍使用濾波器設計向導)。雖然是任意選擇的，但VCVS只需要每級雙極點電路兩個電容，不像MFB中的每級電路三個電容，而且前兩級電路是同相的。
圖10：1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器。
圖11給出了濾波器中每級電路的相位響應。第一級電路相移開始于低頻段的180°，高頻段下降到0°。第二級電路在低頻段增加了180°，開始于360°(=0°以360°為模)，在高頻段下降到0°。第三級電路增加了一次倒相，開始于低頻段的–180°+90°=-90°，在高頻段下降到–540°(=–180°以360°為模)。請再次注意，由于放大器的頻率響應，在高頻段會有額外的滾降發(fā)生。
圖11：圖10所示1kHz、5極點、0.5dB切比雪夫高通濾波器的相位響應。
結束語
本文討論了低通和高通濾波器的相移特性。這個系列中的前一篇文章介紹了相移與濾波器拓撲之間的關系，在后續(xù)文章中，我們還將討論帶通、陷波和全通濾波器——最后，我們會對所有內容進行回顧，并介紹相移將如何影響濾波器的瞬態(tài)響應，同時討論群延時、脈沖響應和階躍響應。
附錄
單極點和雙極點的低通和高通濾波器的通用傳遞函數(shù)見公式A1到公式A4。
單極點低通濾波器的傳遞函數(shù)：
(A1)
其中 s = jω and ω0 = 2πf0.
雙極點有源低通濾波器的傳遞函數(shù)：
(A2)
其中HO 是這級電路增益。
單極點高通濾波器的傳遞函數(shù)：
(A3)
雙極點有源高通濾波器的傳遞函數(shù)：
(A4)
1kHz、0.5dB切比雪夫低通濾波器的f0和Q值如下：
