CN101783991A - 滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滤波电路，其由电阻和电容器构成，在输入端子和接地之间依次串联连接有第一电阻、第二电阻和电容器，在第一电阻和第二电阻的连接点上设置有输出端子，使用频率比最大相位滞后频率高的频域，该最大相位滞后频率是比由第一电阻与第二电阻的合成电阻值和电容器的电容值决定的截止频率高的频率，从而能够发挥以下特性：随着输入信号的频率增高，输出信号相对于输入信号的相对相位的滞后减小。

Description

滤波电路

技术领域

本发明涉及一种滤波电路，尤其涉及使用以下频域(频率范围)的滤波电路：输入信号的频率越高则输出信号相对于输入信号的相对相位越超前；输入信号的频率越低则输出信号相对于输入信号的相对相位差越小。

背景技术

众所周知用于音频信号处理的滤波电路有各种形式。具有代表性的使用了模拟电路的滤波电路包括：仅使比截止频率低的频率通过的低通滤波电路；仅使比截止频率高的频率通过的高通滤波电路；仅使两个截止频率之间的频带通过的带通滤波电路；使两个截止频率之间的频带以外的频率通过的陷波滤波电路。其中任一种滤波电路均因作为处理对象的音频信号的频率低而难以采用实用的线圈来构成，大多是采用电阻和电容器来构成。

下面对以往的滤波电路的电路构成例和频率特性、相位特性进行说明。图8是低通滤波电路的例子。如图8所示，以往的低通滤波电路具有如下结构：在输入端子I和接地G之间依次串联连接有电阻R和电容器C，在电阻R和电容器C的连接点上设置输出端子O。具有这样结构的低通滤波电路通过由电阻R的电阻值和电容器C的电容值决定的时间常数来确定截止频率，频率特性和相位特性是利用传递函数根据图9(a)以及(b)所示的式子得出的。

由图9(a)所示的频率特性可知，以往的低通滤波电路在输入信号比截止频率高时，信号的输出电平减小。另外，由图9(b)所示的相位特性可知，以往的低通滤波电路在输入信号比截止频率高时，输出信号的相位相对于输入信号相对滞后。即，以往的低通滤波电路具有如下特性：输入信号的频率增高时，输出信号的电平减小，与输入信号的相对相位的滞后变大。

图10是高通滤波电路的例子。如图10所示，以往的高通滤波电路中，在输入端子I和接地G之间依次串联连接有电容器C和电阻R，在电容器C和电阻R的连接点上设置输出端子O。该高通滤波电路的截止频率是通过由电容器C的静电电容值和电阻R的电阻值决定的时间常数来确定的，频率特性和相位特性是利用传递函数根据图11(a)以及(b)所示的式子得出的。

由图11(a)所示的频率特性可知，以往的高通滤波电路在输入信号比截止频率低时，信号的输出电平减小。另外，由图11(b)所示的相位特性可知，以往的高通滤波电路在输入信号比截止频率低时，输出信号的相位相对于输入信号相对超前。即，以往的高通滤波电路具有如下特性：输入信号的频率低时，输出信号的电平减小，与输入信号的相对相位的超前变大。

作为使用了上述滤波电路的例子，公知有降噪耳机(noisecanceling headphone)。降噪耳机是能够消除周围的噪声而听到被再现的音乐的耳机，安装在耳机框体等的麦克风单元对周围的噪声进行集音并变换成电信号(噪声信号)，根据该噪声信号来生成用于消除通过耳机框体使耳朵能听到的噪声的信号(消除信号)，将消除音与再现的音乐一起从耳机扬声器单元输出，由此，使用者能够在消除了周围的噪声的状态下听音乐。

理想的是降噪耳机能够完全地消除噪声。但是，麦克风单元和扬声器单元具有相位根据频率的变化而发生位移的相位特性，这些相位特性是：频率越低则输出信号的相位相对于输入信号越是相对超前；频率越高则相位相对于输入信号越是相对滞后，由此从扬声器单元输出的消除信号也受到该相位特性的影响。因此，生成完全消除耳朵能听到的噪声的消除信号是很困难的。当受到相位特性的影响而将相对的相位发生位移的消除音从扬声器单元输出时，不仅本来应发挥的消除噪声的效果(消除效果)降低，而且消除信号增强了噪声所包含的特定频率，反而听到的噪声变大。

上述相位位移的原因还有其他原因。由于在周围噪声中包含各种各样的声音(宽带域)，所以要相对于该噪声所包含的全部频率来生成消除音，就需要在宽带域生成有效的消除信号，但实际上生成这样的消除信号是很困难的，所以利用滤波电路来缩小特别是要消除的噪声信号的频带。

然而，如上所述，滤波电路的相位特性与麦克风和扬声器单元的相位特性相同，所以不会有修正相位位移的效果。因此，在以往的降噪耳机中，设法组合多个滤波电路来模拟地修补相位特性。但是，使用多个滤波电路时，如上所述，能够得到消除效果的频带被限制。因此，提出一种噪声消除系统，为了消除更多的噪声而搭载多个滤波电路并利用开关等选择性地切换滤波电路，从而能够增加可消除的噪声的种类(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开平4-8099号公报

滤波电路有使用无源元件的无源型和使用运算放大器等的有源型，但任一种滤波电路都具有如下特性：频率成分越低，输出信号的相位相对于输入信号越是相对超前；频率成分越高，输出信号的相位相对于输入信号越是相对滞后。

这样，使用电阻和电容器的滤波电路具有输出信号的相位随着输入信号的频率增高而相对滞后这一特性是公知的，能够使用输出信号的相位相应于输入信号的频率增高而相对地超前这一特性的滤波电路并没有实现。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而研发的，其目的是提供一种滤波电路，其发挥输出信号的相位相应于输入信号的频率增高而相对地超前这样的相位特性并能够使用该特性。

本发明采用一种滤波电路，其由电阻和电容器构成，在输入端子和接地之间依次串联连接有第一电阻、第二电阻和电容器，在所述第一电阻和所述第二电阻的连接点上设置有输出端子，使用频率比最大相位滞后频率高的频域，该最大相位滞后频率是比由所述第一电阻与所述第二电阻的合成电阻值和所述电容器的静电电容值决定的截止频率高的频率，从而具有如下特性：随着输入信号的频率增高，输出信号相对于输入信号的相对相位的滞后减小。

另外，本发明的特征是，在所述滤波电路中，第一电阻的电阻值和第二电阻的电阻值由预定的比率决定。

另外，本发明采用一种滤波电路，由电阻和电容器构成，在输入端子和接地之间依次串联连接有具有3个端子的可变电阻和电容器，在所述可变电阻的中间端子上设置有输出端子，使用频率比最大相位滞后频率高的频域，该最大相位滞后频率是比由所述可变电阻的电阻值和所述电容器的静电电容值决定的截止频率高的频率，从而具有如下特性：随着输入信号的频率增高，输出信号相对于输入信号的相对相位的滞后减小。

另外，本发明的特征是，在所述滤波电路中还具有：正相放大器，对从所述输出端子输出的信号进行放大并输出；反相放大器，对从所述输入端子输入的信号进行放大并输出；以及加法器，将所述正相放大器的输出和所述反相放大器的输出相加并输出。

另外，本发明采用一种滤波电路，由电阻和电容器构成，其特征在于，在输入端子和接地之间依次串联连接有第一电容器、第二电容器和电阻，在所述第一电容器和所述第二电容器的连接点上设置有输出端子，使用频率比最大相位超前频率低的频域，该最大相位超前频率是比由该第一电容器与第二电容器的合成静电电容值和所述电阻的电阻值决定的截止频率低的频率，由此具有如下特性：随着输入信号的频率降低，输出信号相对于输入信号的相对相位的超前减小。

另外，本发明的特征是，在所述滤波电路中，第一电容器的静电电容值和第二电容器的静电电容值由预定的比率决定。

发明的效果

根据本发明，能够得到如下滤波电路：能够修正根据频率的高低而变化的以往的声音系统的相位特性，并能够进行自然的声音处理。

附图说明

图1是表示本发明的滤波电路的一例即低通滤波电路的实施方式的电路图。

图2是表示上述低通滤波电路的其他实施方式的电路图。

图3是表示图1所示的低通滤波电路的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位滞后频率(c)、最大滞后相位角度(d)的算式。

图4是表示本发明的滤波电路的一例即高通滤波电路的实施方式的电路图。

图5是表示图4所示的高通滤波电路的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位滞后频率(c)、最大滞后相位角度(d)的算式。

图6是表示本发明的滤波电路的一例即有源型低通滤波电路的实施方式的例子的电路结构图。

图7是表示图6所示的低通滤波电路的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位滞后频率(c)、最大滞后相位角度(d)的算式。

图8是表示以往的低通滤波电路的例子的电路图。

图9是表示以往的低通滤波电路的频率特性(a)和相位特性(b)的算式。

图10是表示以往的高通滤波电路的例子的电路图。

图11是表示以往的高通滤波电路的频率特性(a)和相位特性(b)的算式。

具体实施方式

下面根据附图对本发明滤波电路的实施例进行说明。图1是本发明滤波电路的一例，是表示低通滤波电路的例子的电路结构图。

<实施例1>

在图1所示的低通滤波电路10中，在输入端子I和接地G之间依次串联连接有电阻R1、电阻R2和电容器C，在第一电阻即电阻R1和第二电阻即电阻R2的连接点上设置有用于取出输出信号的输出端子O。该低通滤波电路10的截止频率fclp由电阻R1与电阻R2的合成电阻值R(即R1+R2)和电容器C的电容值确定的时间常数来决定。

该低通滤波电路10的输出由√((1+(2πfCR2)²))/(1+(2πfC(R1+R2))²)得出。f是输入信号的频率。与以往的低通滤波电路相同，比截止频率fclp高的频率发生衰减。另外，随着输入信号的频率增高，电容器C的阻抗减小，因此而导致当输入信号的频率比截止频率高时电容器C的阻抗减小至在其与电阻R2的关系中可忽略不计的程度。由此，低通滤波电路10的输出在频率比截止频率fclp高且在作为预定频率的最大相位滞后频率以上的频域中，输入信号的输出最大衰减至R2/(R1+R2)。此时，由于电容器C的阻抗为能忽略的状态，所以输出信号的相位缓慢地返回到0度(同相)。这样，在本发明的低通滤波电路10中，通过使用最大相位滞后频率以上的频域，能够实现发挥以下特性的低通滤波电路：输出信号的相位随着输入信号的频率增高而相对超前。

另外，根据本发明的低通滤波电路10，在频率降低时发生相位相对滞后，该滞后是在最大相位滞后频率时发生最大的相位滞后。将该最大相位滞后频率设定为相对于作为滤波器处理对象的信号中包含的频率足够低的频率，由此就可以实现能修正耳机单元和麦克风单元的“频率降低时输出减少而相位超前”这一特性的滤波电路。

上述电阻R1和R2的值可以是任意的电阻值，但也可以使用分割比率Nr来确定为R1＝Nr·R、R2＝(1-Nr)·R(其中，0≤Nr≤1)。这样，能够根据分割比率Nr来任意地设定输入信号的最大衰减量。

<实施例2>

图2表示本发明的滤波电路的其他实施例。图2所示的低通滤波电路20是代替低通滤波电路10具备的电阻R1和电阻R2而使用可变电阻R3的例子。在低通滤波电路20中，输出端子O被设置成可变电阻R3的可动端子。

即，能够根据可动端子的位置来变更对输入信号进行分压的电阻的比率，因此，能够得到与实施例1中的根据预定的比率Nr设定电阻R1和电阻R2的值的情况相同的效果。由此，能够容易地得到具有最佳的相位特性的滤波电路。

在此，对上述最大相位滞后频率进行说明。所谓最大相位滞后频率是指在本发明的滤波电路中输出信号的相位随着输入信号的频率增高而开始相对超前的频率。图3是表示上述实施例1的滤波电路中的传递函数的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位滞后频率(c)和最大滞后相位角度(d)的式子。根据图3(a)所示的频率特性，滤波电路10所具有的电阻的分割比(Nr)的值越接近1，高频率的输出越小。另外，根据图3(b)所示的相位特性，具有如下特性：频率为零时相位的滞后为0度(即同相)，且随着频率增高，相位的滞后变大，之后回到0度(即同相)。最大相位滞后频率与截止频率(fclp)的关系如图3(c)所示，其能够通过将截止频率除以由1减去电阻比率后的值的平方根而求出。

另外，如图3(d)所示，最大相位滞后频率中的最大滞后相位角度由电阻比率决定。

因此，将本发明的滤波电路用作低通滤波器时，适当地选择两个电阻元件的电阻值，使用比最大相位滞后频率高的频域，由此能够得到发挥相位相对于频率相对超前这样的以往的低通滤波电路所不能实现的相位特性的低通滤波电路。

<实施例3>

接着，对本发明的滤波电路的其他实施例进行说明。图4是本发明的滤波电路的一例，是表示高通滤波电路的例子的电路结构图。如图4所示，高通滤波电路30中，在输入端子I和接地G之间依次串联连接有电容器C1、电容器C2和电阻R，在电容器C1和电容器C2的连接点设置有用于取出输出信号的输出端子O。该高通滤波电路30的截止频率fchp是由电容器C1与电容器C2的合成静电电容C(即C1+C2)和电阻R的值确定的时间常数来决定的。

该高通滤波电路30与以往的高通滤波电路相同，输出比截止频率fchp高的频率成分，并使比截止频率fchp低的频率成分衰减。输出信号的相位在频率低时超前，随着频率增高而变成与输入信号同相，即，随着频率相对地增高，输出信号的相位相对于输入信号相对滞后。但是，具有如下特性：在频率比截止频率低且比预定的频率即最大相位超前频率低的频域中，随着频率降低，输出增大，相位相对滞后。

图5表示由滤波电路10的传递函数得出的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位超前频率(c)、最大超前相位角度(d)的式子。根据图5(a)所示的频率特性，滤波电路30所具有的电容器的静电电容比(Nc)的值越接近1，低频率的输出越小。另外，根据图5(b)所示的相位特性，具有如下特性：频率为零时相位的超前也为0度(即同相)，且随着频率增高，相位的超前变大，之后返回到0度。即，本发明的滤波电路的最大相位超前频率与截止频率fchp的关系如图5(c)所示，其能够通过使截止频率fchp乘以由1减去电容比率后的值的平方根来求出。

另外，如图5(d)所示，最大相位超前频率的最大超前相位角度由静电电容比率决定。

因此，将本发明的滤波电路用作高通滤波电路时，适当地选择两个电容器的静电电容值，使用比最大相位超前频率低的频域，由此能够得到发挥相位相对于频率相对超前这样的以往的高通滤波电路不能实现的相位特性的高通滤波电路。

接着，对本发明的滤波电路的又一实施例进行说明。图6是本发明的滤波电路，尤其是有源型的低通滤波器的例子。如图6所示，低通滤波电路40中，在输入端子I和接地G之间依次串联连接有电阻R1、电阻R2和电容器C，在输入端子I和输出端子O之间连接有反相放大器4和加法器6，在电阻R1与电阻R2的连接点、和加法器6之间连接有正相放大器5。即，实施例1所示的低通滤波电路10的输出成为正相放大器5的输入。

反相放大器4是使输入信号的相位反相并输出的放大器，具有A倍的放大率。正相放大器5是不使相位反相而以预定的(1+A倍)的放大率对相位进行放大并输出的放大器。加法器6将反相放大器4和正相放大器5的输出相加并向输出端子O输出。

该低通滤波电路40的截止频率fcA是由电阻R1与电阻R2的合成电阻R(即R1+R2)和电容器C的静电电容值确定的时间常数来决定的。电阻R1和电阻R2的各电阻值与实施例1相同，使用预定的比率Nr决定即可。

图7表示由该电路的传递函数得出的频率特性(a)、相位特性(b)、最大相位超前频率(c)和最大超前相位角度(d)的式子。根据图7(a)所示的频率特性，滤波电路40所具有的电阻的电阻值比率(Nr)的值越接近1/(1+A)，高频率的输出越小。另外，根据图7(b)所示的相位特性，具有如下特性：频率为零时相位的滞后也为0度(即同相)，且随着频率增高，相位的滞后变大，之后返回到0度。即，本发明的滤波电路中的最大相位滞后频率与截止频率fcA的关系如图7(c)所示，其通过将截止频率fcA乘以由1减去电阻值比率与正相放大器5的放大率(1+A)的乘积后的值的平方根的倒数而求出。其中，Nr≤1/(1+A)。

另外，如图7(d)所示，最大相位滞后频率中的最大滞后相位角度由电阻值比率和正相放大器的放大率(1+A)决定。

因此，通过使电阻比率Nr和放大率A为适当的值，并使用比最大相位滞后频率高的频域，由此能够得到具有相位相对于频率相对超前这样的以往的低通滤波器器不能实现的相位特性的有源型的低通滤波器。

这样，通过采用本发明的滤波电路，使得在频率比最大相位滞后频率(最大相位超前频率)高(低)频域中进行输入信号的滤波处理，能够发挥由以往的滤波电路不能得到的相位特性，其中，该最大相位滞后频率(最大相位超前频率)位于频率比截止频率高(低)的频域中。

以往的滤波电路利用截止频率只输出预定频域，并没有使用其他频域。本发明的滤波电路采用能够使用在以往的滤波电路中不会设想使用的频域的结构，从而能得到可以修正相位特性的滤波电路。本发明的滤波电路能够由电阻和电容器的比率来决定要使用的频域，因此能按照作为处理对象的信号的频率成分来适当地使用与以往不同的相位特性。

工业实用性

本发明的滤波电路具有能够修正声音特性的相位特性。通过将该滤波电路应用于噪声消除系统，能够得到更自然的噪声消除效果。另外，通过将该滤波电路应用于降噪耳机，能够得到声音特性优良的降噪耳机。

Claims (6)

1.一种滤波电路，由电阻和电容器构成，其特征在于，

在输入端子和接地之间依次串联连接有第一电阻、第二电阻和电容器，

在所述第一电阻和所述第二电阻的连接点上设置有输出端子，

使用频率比最大相位滞后频率高的频域，该最大相位滞后频率是比由所述第一电阻与所述第二电阻的合成电阻值和所述电容器的静电电容值决定的截止频率高的频率，

从而具有以下特性：随着输入信号的频率增高，输出信号相对于输入信号的相对相位滞后减小。

2.如权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，

所述第一电阻的电阻值和所述第二电阻的电阻值由预定的比率决定。

3.一种滤波电路，由电阻和电容器构成，其特征在于，

在输入端子和接地之间依次串联连接有具有3个端子的可变电阻和电容器，

在所述可变电阻的中间端子上设置有输出端子，

使用频率比最大相位滞后频率高的频域，该最大相位滞后频率是比由所述可变电阻的电阻值和所述电容器的静电电容值决定的截止频率高的频率，

从而具有以下特性：随着输入信号的频率增高，输出信号相对于输入信号的相对相位的滞后减小。

4.如权利要求1或3所述的滤波电路，其特征在于，

还包括：

正相放大器，对从所述输出端子输出的信号进行放大来输出；

反相放大器，对从所述输入端子输入的信号进行放大来输出；以及

加法器，将所述正相放大器的输出和所述反相放大器的输出加在一起来输出。

5.一种滤波电路，由电阻和电容器构成，其特征在于，

在输入端子和接地之间依次串联连接有第一电容器、第二电容器和电阻，

在所述第一电容器和所述第二电容器的连接点上设置有输出端子，

使用频率比最大相位超前频率低的频域，该最大相位超前频率是比由所述第一电容器与第二电容器的合成静电电容值和所述电阻的电阻值决定的截止频率低的频率，

从而具有如下特性：随着输入信号的频率降低，输出信号相对于输入信号的相对相位的超前减小。

6.如权利要求5所述的滤波电路，其特征在于，

所述第一电容器的静电电容值和所述第二电容器的静电电容值由预定的比率决定。

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