Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с фильтром активной мощности .
Пример активного фильтра верхних частот топологии Саллена – Ки . Операционный усилитель используется как буферный усилитель.

Активный фильтр представляет собой тип аналоговой схемы реализации электронного фильтра с использованием активных компонентов , обычно представляет собой усилитель . Усилители, включенные в конструкцию фильтра, могут использоваться для повышения стоимости, производительности и предсказуемости фильтра. [1]

Усилитель предотвращает влияние импеданса нагрузки следующего каскада на характеристики фильтра. Активный фильтр может иметь сложные полюса и нули без использования громоздкой или дорогой катушки индуктивности. Форму отклика, добротность ( добротность ) и настраиваемую частоту часто можно установить с помощью недорогих переменных резисторов. [2] В некоторых схемах активных фильтров один параметр можно регулировать, не влияя на другие. [1]

Типы [ править ]

Фильтр KROHN-HITE модель 3500 1974 года выпуска.

Использование активных элементов имеет некоторые ограничения. В уравнениях проектирования основных фильтров не учитывается конечная ширина полосы усилителей. Доступные активные устройства имеют ограниченную полосу пропускания, поэтому они часто непрактичны на высоких частотах. Усилители потребляют мощность и вносят шум в систему. Определенные топологии схем могут оказаться непрактичными, если не предусмотрен тракт постоянного тока для тока смещения к элементам усилителя. Возможности управления мощностью ограничены каскадами усилителя. [3]

Конфигурации схемы активного фильтра ( топология электронного фильтра ) включают:

  • Фильтры Саллена-Ки и VCVS (низкая чувствительность к допускам компонентов)
  • Переменные фильтры состояния и биквадратные или биквадратные фильтры
  • Двойной полосовой усилитель (DABP)
  • Wien Notch
  • Несколько фильтров обратной связи
  • Fliege (наименьшее количество компонентов для 2 операционных усилителей, но с хорошей управляемостью по частоте и типу)
  • Akerberg Mossberg (одна из топологий, предлагающих полный и независимый контроль над усилением, частотой и типом)

Активные фильтры могут реализовывать те же передаточные функции, что и пассивные фильтры . Общие передаточные функции:

  • Фильтр высоких частот - ослабление частот ниже их точек отсечки.
  • Фильтр низких частот - ослабление частот выше их точек отсечки.
  • Полосовой фильтр - ослабление частот как выше, так и ниже тех, которые они пропускают.
  • Полосовой фильтр (Notch filter) - ослабление одних частот с пропуском всех остальных. [4]
Возможны комбинации, такие как режекторный и высокочастотный (в фильтре грохота, где большая часть мешающего грохота исходит от определенной частоты). Другой пример - эллиптический фильтр .

Дизайн активных фильтров [ править ]

См. Также: Дизайн фильтра

Чтобы разработать фильтры, необходимо установить следующие спецификации:

  • Диапазон желаемых частот (полоса пропускания) вместе с формой частотной характеристики. Это указывает на разновидность фильтра (см. Выше) и центральную или угловую частоту.
  • Требования к входному и выходному сопротивлению . Они ограничивают доступные топологии схем; например, большинство, но не все топологии активных фильтров обеспечивают буферизованный (с низким импедансом) выход. Однако помните, что внутренний выходной импеданс операционных усилителей , если они используются, может заметно возрасти на высоких частотах и ​​снизить затухание по сравнению с ожидаемым. Имейте в виду, что некоторые топологии фильтра верхних частот представляют вход почти с коротким замыканием на высокие частоты.
  • Динамический диапазон активных элементов. Усилитель не должен насыщаться (попадать в шины питания) при ожидаемых входных сигналах, а также не должен работать при таких низких амплитудах, при которых преобладает шум.
  • Степень отклонения нежелательных сигналов.
    • В случае узкополосных полосовых фильтров Q определяет полосу пропускания -3 дБ, а также степень подавления частот, удаленных от центральной частоты; если эти два требования противоречат друг другу, может потребоваться полосовой фильтр со ступенчатой ​​настройкой .
    • Для режекторных фильтров степень, в которой должны подавляться нежелательные сигналы на режекторной частоте, определяет точность компонентов, но не Q, который определяется желаемой крутизной режекторного фильтра, то есть шириной полосы вокруг режекторной полосы до того, как затухание станет небольшим.
    • Для верхних и нижних частот (а также полосовых фильтров вдали от центральной частоты) требуемое подавление может определять крутизну необходимого ослабления и, таким образом, «порядок» фильтра. Всеполюсный фильтр второго порядка дает окончательную крутизну около 12 дБ на октаву (40 дБ / декаду), но крутизна, близкая к угловой частоте, намного меньше, что иногда требует добавления в фильтр режекции.
  • Допустимая «пульсация» (отклонение от плоской характеристики в децибелах) в полосе пропускания фильтров верхних и нижних частот, наряду с формой кривой частотной характеристики около угловой частоты, определяет коэффициент демпфирования или коэффициент демпфирования ( = 1 / (2Q)). Это также влияет на фазовый отклик и время отклика на прямоугольный сигнал. Несколько важных форм отклика (коэффициентов демпфирования) имеют хорошо известные названия:
    • Фильтр Чебышева - пики / пульсации в полосе пропускания перед углом; Q> 0,7071 для фильтров 2-го порядка.
    • Фильтр Баттерворта - максимально ровная амплитудная характеристика; Q = 0,7071 для фильтров 2-го порядка
    • Фильтр Лежандра-Папулиса - меняет некоторую ровность полосы пропускания, хотя и монотонную , на более крутое падение
    • Фильтр Линквица – Райли - желаемые свойства для применений кроссовера аудио, самое быстрое время нарастания без выброса; Q = 0,5 ( критическое затухание )
    • Пэйнтер, или переходный фильтр Томпсона-Баттерворта, или «компромиссный» фильтр - более быстрое падение, чем у Бесселя; Q = 0,639 для фильтров 2-го порядка
    • Фильтр Бесселя - максимально плоская групповая задержка; Q = 0,577 для фильтров 2-го порядка. Обеспечивает хорошую линейную фазу.
    • Эллиптический фильтр или фильтр Кауэра - добавьте отметку (или «ноль») сразу за полосой пропускания, чтобы получить гораздо больший наклон в этой области, чем комбинация порядка и коэффициента затухания без отметки. Выходной сигнал аналогичен идеальному фильтру (т.е. хорошая плоская характеристика как полосы пропускания, так и полосы заграждения).

Сравнение с пассивными фильтрами [ править ]

Активный фильтр может иметь усиление , увеличивая доступную мощность сигнала по сравнению с входной. Пассивные фильтры рассеивают энергию сигнала и не могут иметь полезного прироста мощности. Для некоторых диапазонов частот, например на звуковых частотах и ​​ниже, активный фильтр может реализовать заданную передаточную функцию без использования катушек индуктивности , которые являются относительно большими и дорогостоящими компонентами по сравнению с резисторами и конденсаторами и которые более дороги в изготовлении с необходимыми высокое качество и точные значения. Это преимущество может быть не так важно для активных фильтров, полностью интегрированных в микросхему.потому что доступные конденсаторы имеют относительно низкие номиналы и поэтому требуют резисторов высокой стоимости, которые занимают площадь интегральной схемы. Активные фильтры имеют хорошую изоляцию между ступенями и могут обеспечивать высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление; это делает их характеристики независимыми от импеданса источника и нагрузки. При желании несколько ступеней можно соединить каскадом для улучшения характеристик. Напротив, конструкция многоступенчатых пассивных фильтров должна учитывать частотно-зависимую нагрузку каждой ступени предыдущей ступени. Можно сделать активные фильтры настраиваемыми в широком диапазоне по сравнению с пассивными фильтрами. Поскольку индукторы не используются, фильтры могут быть очень компактными и не создают магнитных полей, которые могут присутствовать, и не взаимодействуют с ними.

По сравнению с активными фильтрами, пассивные фильтры не требуют дополнительных источников питания. Усиливающие устройства активного фильтра должны обеспечивать прогнозируемое усиление и производительность во всем обрабатываемом диапазоне частот; произведение « усиление – ширина полосы» усилителя ограничивает максимальную используемую частоту. [5] [6]

См. Также [ править ]

  • Фильтр активной мощности
  • Частотно-зависимый отрицательный резистор

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Дон Ланкастер, Поваренная книга активного фильтра , Howard W. Sams and Co., 1975 ISBN  0-672-21168-8, страницы 8-10
  2. ^ "Полосовой фильтр операционного усилителя" . Базовые руководства по электронике . 2013-08-14 . Проверено 26 декабря 2018 .
  3. ^ Мухаммад Х. Рашид, Микроэлектронные схемы: анализ и проектирование , Cengage Learning, 2010 ISBN 0-495-66772-2 , стр. 804 
  4. ^ "Фильтры остановки полосы называются фильтрами отклонения" . Базовые руководства по электронике . 2015-10-20 . Проверено 26 декабря 2018 .
  5. ^ Дон Ланкастер, Поваренная книга активного фильтра , Elsevier Science, 1996 ISBN 9780750629867 
  6. ^ «Базовое введение в фильтры - активные, пассивные и переключаемые (Rev. A), аналоговые и смешанные сигналы SNOA224A - TI.com» (PDF) . www.ti.com . Проверено 3 февраля 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Эксперт по аналоговым фильтрам с раздельным питанием
  • Введение в активные фильтры
  • Разработка активных фильтров - статьи по теме
  • Мастер аналоговых фильтров : инструмент для создания активных фильтров