应选择在相同书面信号链要求下，以可接受的裕量和可验证的证据满足要求的方案，而不是孤立地选择看起来更简单的方案。 如果插入损耗和负载影响可以接受，且不需要有源级，无源网络可能是合适的选择。如果需要增益、隔离或特定响应，有源网络可能是合适的选择，但前提是放大器的工作条件满足其电源、裕量、噪声和稳定性限制。
仅凭“有源”或“无源”无法确定哪种方案更优。应在接口处明确需求，依据这些需求评估两种候选方案，并将尚未解决的项目标记为尚未验证。如果两种方案都不合格，应修改需求或设计，而不是选择相对较差程度较低的结果。
电源线EMI和安全滤波，以及详细的传感器至ADC信号调理，都需要单独分析。有关射频滤波器的测量与测试，请参阅频谱滤波器测试与测量。
这是一块独立的音频功放模块，展示了带低通前端的电路板；它不是下文计算的假设电路。
选择电路前先定义响应
首先明确对信号链的要求：
- **所需频率：**在规定的参考面处定义通带以及允许的增益误差、纹波和相位误差。
- **需抑制的频率：**定义阻带和最小衰减量，包括需要重点关注的干扰信号频率。
- **过渡带：**说明响应可以在哪个频率范围内从通带限制过渡到阻带限制。
- **时序要求：**在有必要时规定相位、群延迟或波形建立时间的限制。
- **工作条件：**包括源阻抗和负载阻抗、信号摆幅、电源范围、温度、容差、噪声、功耗和面积。
响应类型描述所需传递函数的形状。例如，巴特沃斯响应侧重于通带内平坦的幅频特性；其他响应类型则在纹波、过渡带陡峭程度和相位特性之间作出不同取舍。阶数描述理想化传递函数的极点数量，并影响可实现的滚降速率。
这两个术语都不规定滤波器的构造方式。RC网络、RLC网络和基于放大器的电路都是实现方式；在各自的实际限制内，不同拓扑可以实现不同的响应目标。无源滤波器并不一定需要电感，而有源滤波器也并非实现某种响应的必然正确选择。
单极点拐角频率只是规格的一部分。它不能证明在需抑制的频率处具有足够的衰减，也不能证明满足抗混叠要求。应在实际关注的频率处检查完整响应。
从需求到证据的决策矩阵
对两种候选方案采用同一组需求。右侧各列描述需要收集的证据，而非预设结果。在项目受控设计记录中记录数值限值、条件、结果和状态。
| 共同要求 | 无源候选方案的证据 | 有源候选方案的证据 |
|---|---|---|
| 所需频率和增益 | 带负载的传递函数计算，以及在需要时进行的整个通带增益测量 | 包含放大器的计算或仿真，随后在相同通带内进行所需验证 |
| 需抑制的频率 | 各规定频率处的带负载衰减，包括元件和接口变化的影响 | 使用实际放大器模型和工作条件得到的衰减；验证放大器限制不会导致目标无法实现 |
| 相位和时序误差 | 规定参考面处的相位或时序响应，包括负载影响 | 包含放大器影响的对应响应；如有要求，检查建立过程 |
| 源阻抗 | 源模型与输入阻抗随频率变化的相互作用；确认信号源能够驱动该网络 | 针对所选拓扑分析输入阻抗和信号源驱动能力；有源级仍可能对信号源造成负载 |
| 负载阻抗 | 在规定负载及其变化范围内的输出响应，而不只是输出开路时的响应 | 针对规定负载检查输出负载效应、所需电流、容性负载行为和稳定性 |
| 信号摆幅和线性度 | 在所需信号范围内检查元件电压、电流、功耗及其电压依赖性 | 在实际电源和负载条件下检查输入共模范围、输出摆幅、失真或线性度以及电流 |
| 电源 | 确认相邻电路是否会改变比较结果；无源网络本身不需要放大器电源 | 确切的电源范围、相关情况下的启动行为，以及规定供电条件下的放大器性能 |
| 容差和温度 | 对元件数值、漂移以及源端和负载变化进行最坏情况分析或有依据的统计分析 | 相同的分析，另加放大器参数变化和拓扑敏感度分析 |
| 噪声 | 电阻和信号源噪声、滤波后的带宽以及后级的噪声贡献 | 信号源和元件噪声，加上放大器电压噪声和电流噪声，在规定带宽内进行评估 |
| 功耗和面积 | 元件功耗以及基于布局的面积估算 | 电源功耗、元件功耗，以及包含配套元件的基于布局的面积估算 |
| 验证和验收 | 已定义的测试条件、预期限值、不确定度和记录的结果 | 相同的验收框架，另加放大器特有的条件和稳定性证据 |
该矩阵可避免一种常见的比较错误：将带实际负载的无源电路，与使用理想输入、无限输出摆幅或未明确指定放大器的有源电路模型进行比较。两者应使用相同的信号源、负载、信号、频率限值、环境范围和验收准则。
最终判定应明确标注为通过、不通过或尚未验证，并为每一项注明支持该判定的计算、仿真、数据手册条件或测试记录。
假设的无源RC负载效应计算
以下计算是假设示例，并非实测设计。它用于说明负载效应，不构成无源与有源性能比较的结论。
假设一个理想电压源带有1 kΩ的串联源电阻，其后接一个10 kΩ串联电阻。在输出节点，一个10 nF电容和一个纯电阻性的10 kΩ负载均接地。忽略电容和信号源的寄生效应，并采用线性小信号假设。
在直流条件下，电容开路。负载与串联电阻的总和构成分压器：
Vout / Vsource = 10 kΩ / (1 kΩ + 10 kΩ + 10 kΩ) = 10 / 21 ≈ 0.476
计算极点时，将理想电压源置零，求电容所见的电阻：
Rth = (11 kΩ × 10 kΩ) / (11 kΩ + 10 kΩ) ≈ 5.238 kΩ
fp = 1 / (2π Rth C) ≈ 3.04 kHz
如果改为负载开路，串联电阻中没有直流电流。因此直流电压增益为1，电容所见电阻为11 kΩ，对应的极点频率约为1.45 kHz。
因此，连接规定负载后，同一组标称电阻和电容网络的增益和极点会发生变化。这两种情况都不能说明该滤波器是否满足实际项目的通带、阻带、相位、噪声或容差限制。
该项目的有源候选方案需要单独制定规格，并依据确切选定的放大器数据手册和适用条件进行独立验证。本例没有假定或验证任何特定的有源电路。
将计算转化为决策记录
假设该项目要求：连接10 kΩ负载时，从理想电压源到输出的直流电压增益至少为0.80。在所述标称假设下，本例计算出的增益为0.476，不满足这一要求。应拒绝或修改这个特定的带负载RC候选方案；由于规定负载已连接，空载增益为1不能使其满足要求。
这并不能证明所有无源设计都不合格。可以针对相同的增益、源端和负载条件，以及尚未规定的频率响应、噪声和其他项目限制，评估重新设计的无源网络。有源候选方案尚未验证：应先选择其电路和放大器，再检查相同的接口和增益要求，以及电源、摆幅、稳定性和其余限制。只有当所有适用要求都有证据支持时，候选方案才算通过。
在实际条件下比较实现方案
无源候选方案
计算传递函数时应计入信号源和负载。然后在允许范围内改变阻抗和元件数值。如果任一接口的阻抗随频率变化，应在模型中体现这种变化，而不是假定其为固定电阻。
除了标称值，还应检查元件的实际特性。电阻容差、温度系数和功耗可能影响结果；电容容差、介质特性、电压依赖性和温度漂移可能使响应发生偏移。对于所涉及的频率和阻抗，布局寄生效应也可能产生影响。
无源并不意味着无噪声：电阻会产生热噪声，网络也会改变传递到后级的噪声。无源也不意味着其电压增益在每个频率处都必然低于有源替代方案；结果取决于网络、参考面和频率。
有源候选方案
在声称符合要求之前，应明确拓扑和确切的放大器型号。根据项目的电源、负载、温度、信号幅度和频率条件查阅数据手册。证据至少应涵盖：
- 输入共模范围和输入负载效应。
- 驱动实际负载时的输出摆幅和电流。
- 需要时，随频率变化的增益和相位、噪声及失真。
- 与反馈网络和负载共同作用时的稳定性，包括相关电容的影响。
- 允许电源范围内的电源电流和工作表现。
放大器可以提供增益或缓冲，但不能消除所有源端和负载之间的相互影响。仿真有助于研究这些相互影响；其结果的适用性取决于所用模型和条件。如果项目要求测量，应保留具有代表性的组装设计的测量结果，而不能将标称仿真视为证明。
TI AN-779，SNOA224A是由TI提供的一份早期滤波器概念入门参考资料。TI SLOA049D于2023年2月修订，提供有源低通滤波器设计的技术背景。两者均不能替代所选放大器的数据手册或项目验收准则。
布局与证据：形成闭环
放行前，应将选定方案落实为布局和验证计划。确保信号路径和回流路径清晰可辨；考虑来自附近开关电路或噪声电路的耦合；合理放置元件，避免不需要的寄生效应使分析失效。对于有源级，应遵循所选放大器的布局和电源去耦指南。
在原理图和测试规程中均应标明输入和输出参考面。通过非预期的源阻抗或负载阻抗进行测量，可能得到准确但针对错误电路的读数。测试计划应说明激励、电源、负载、频率点或扫频、环境条件、限值、测量不确定度以及结果记录方式。项目质量计划有要求时，应增加保护带或重复性检查。
不要将未经测试的样机视为生产证据。反过来，一块样机的良好结果本身也不能证明设计能够应对元件、温度或生产变化。应确定放行所需的分析和测试，并记录剩余风险。
有关可能出现在BOM中的电路板零部件的更广泛介绍，请参阅电路板元件。
受版本控制的PCB与PCBA交付
只有放行的电路板和组件保留了滤波器设计意图，滤波器选型决策才有价值。应将以下内容打包，作为受版本控制的交付资料：
- **需求和决策记录：**共同需求、矩阵判定结果、已批准的拓扑、参考面、证据链接或标识符，以及尚未关闭的例外事项。
- **PCB放行资料：**电路板制造数据、叠层和材料要求、受控尺寸、图纸和版本标识。
- **PCBA放行资料：**原理图版本、组装图、贴装数据、包含制造商料号的BOM、已批准的替代料，以及关键元件的容差和额定值。
- **验证计划：**测试条件、验收限值、抽样或覆盖计划、不确定度处理、报告格式以及不合格项处置规则。PCB组装检验报告模板有助于记录约定的检验结果。
- **变更控制：**明确由谁批准元件替代、布局变更、返工或限值修订；如何重新开展受影响的验证工作；以及如何记录实际制造配置。
应明确区分各方责任：
- **工程师或设计负责人：**定义需求、选择电路、提供已放行的设计、评估变更，并判断技术证据是否支持设计决策。
- **制造商：**按照约定的放行资料制造PCB或组装PCBA，并报告制造或组装问题。裸板制造检查不能证明组装后的滤波器性能。
- **质量团队和客户（如适用）：**商定验收和处置方式，审核所需记录，并判断交付品是否满足合同及系统级需求。除非明确纳入约定范围，否则系统鉴定是一项单独活动。
如果要求进行组装或电气测试，应在询价中明确责任方和确切范围。不要假设制板厂会验证组装后的电路，也不要假设仅凭PCBA测试即可完成整个系统的鉴定。报价请求应引用已放行的资料包并说明未决问题，而不是替代设计记录。
常见问题
需要增益时，有源滤波器总是更好吗？
不一定。有源级可以提供增益，但所选放大器必须满足所需的信号摆幅、噪声、电源、稳定性和频率响应条件。应将完整信号链的结果与无源替代方案进行比较。
无源RC滤波器能满足陡峭的抑制要求吗？
只有当其经计算和验证的带负载响应提供足够的衰减和可接受的通带特性时，才能满足要求。仅凭一阶拐角频率不能确定这一结果；可能需要采用不同阶数或实现方式。
缓冲器能消除滤波器的负载效应吗？
不能完全消除。缓冲器的输入特性不是理想的，其输出还必须在电流、摆幅和稳定性限制内驱动实际负载。应分析两个接口。
如果信号源或负载尚未确定，该怎么办？
将比较结果标记为尚未验证。商定允许的阻抗范围或获取接口数据，然后根据该范围分析和测试两种候选方案。空载计算不能替代对未明确规定的实际负载的分析。
制造交付资料应包含哪些证据？
应包括受控设计和BOM、决策记录、适用的PCB及组装文件，以及商定的检验或电气测试计划。应明确执行和验收责任；仅有制造记录不能证明滤波器或系统性能。