 | Эта статья включает в себя список общих ссылок , но в основном он остается непроверенным, поскольку в нем отсутствуют соответствующие встроенные ссылки . ( Март 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Электронные фильтры представляют собой разновидность фильтров обработки сигналов в виде электрических цепей. В этой статье рассматриваются фильтры, состоящие из сосредоточенных электронных компонентов, в отличие от фильтров с распределенными элементами . То есть с использованием компонентов и взаимосвязей, которые при анализе можно считать существующими в одной точке. Эти компоненты могут быть в дискретных корпусах или частью интегральной схемы .
Электронные фильтры удаляют нежелательные частотные составляющие из подаваемого сигнала, усиливают полезные или и то, и другое. Они могут быть:
- пассивный или активный
- аналоговый или цифровой
- высокочастотный , низкочастотный , полосовой , полосовой (режекторный, режекторный) или полностью проходящий .
- дискретное время (выборка) или непрерывное время
- линейный или нелинейный
- бесконечная импульсная характеристика (тип IIR) или конечная импульсная характеристика (тип FIR)
Наиболее распространенными типами электронных фильтров являются линейные фильтры , независимо от других аспектов их конструкции. См. Статью о линейных фильтрах для получения подробной информации об их конструкции и анализе.
История [ править ]
Самые старые формы электронных фильтров - это пассивные аналоговые линейные фильтры, построенные с использованием только резисторов и конденсаторов или резисторов и катушек индуктивности . Они известны как RC и RL Одно- полюсных фильтров соответственно. Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные ЖК-фильтры обеспечивают больший контроль формы отклика, полосы пропускания и переходных полос . Первым из этих фильтров был фильтр с постоянным k , изобретенный Джорджем Кэмпбеллом в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла представлял собой лестничную схему, основанную на теории линий передачи . Вместе с улучшенными фильтрами Отто Зобеляи другие, эти фильтры известны как фильтры параметров изображения . Большой шаг вперед был сделан Вильгельмом Кауэром, который основал сферу сетевого синтеза во время Второй мировой войны . Теория Кауэра позволяла создавать фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.
Классификация по технологиям [ править ]
Пассивные фильтры [ править ]
Пассивные реализации линейных фильтров основаны на комбинации резисторов (R), катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C). Эти типы в совокупности известны как пассивные фильтры , потому что они не зависят от внешнего источника питания и не содержат активных компонентов, таких как транзисторы .
Индукторы блокируют высокочастотные сигналы и проводят низкочастотные сигналы, а конденсаторы - наоборот. Фильтр, в котором сигнал проходит через катушку индуктивности или в котором конденсатор обеспечивает путь к земле, имеет меньшее затухание для низкочастотных сигналов, чем высокочастотные сигналы, и поэтому является фильтром нижних частот . Если сигнал проходит через конденсатор или имеет путь к земле через катушку индуктивности, то фильтр обеспечивает меньшее затухание высокочастотных сигналов, чем низкочастотные сигналы, и поэтому является фильтром верхних частот . Сами по себе резисторы не обладают частотно-избирательными свойствами, но добавляются к индукторам и конденсаторам для определенияпостоянные времени цепи и, следовательно, частоты, на которые она реагирует.
Катушки индуктивности и конденсаторы являются реактивными элементами фильтра. Количество элементов определяет порядок фильтра. В этом контексте настроенная LC-схема , используемая в полосовом или полосовом фильтре, считается одним элементом, даже если она состоит из двух компонентов.
На высоких частотах (выше примерно 100 мегагерц ) иногда катушки индуктивности состоят из одиночных петель или полосок листового металла, а конденсаторы состоят из смежных полос металла. Эти индуктивные или емкостные металлические части называются шлейфами .
Типы отдельных элементов [ править ]
Простейшие пассивные фильтры RC и RL содержат только один реактивный элемент, за исключением гибридного LC-фильтра, который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенными в одном элементе. [1]
L фильтр [ править ]
L-фильтр состоит из двух реактивных элементов, одного последовательно, а другого параллельно.
Фильтры T и π [ править ]
Трехэлементные фильтры могут иметь топологию «T» или «π», и в любой геометрии возможны характеристики нижних , верхних частот , полосовой или полосовой . Компоненты могут быть выбраны симметричными или несимметричными в зависимости от требуемых частотных характеристик. Т-фильтр верхних частот на иллюстрации имеет очень низкий импеданс на высоких частотах и очень высокий импеданс на низких частотах. Это означает, что его можно вставить в линию передачи, что приведет к пропусканию высоких частот и отражению низких частот. Аналогично, для проиллюстрированного π-фильтра нижних частот схема может быть подключена к линии передачи, передавая низкие частоты и отражая высокие частоты. Использование фильтра, производного от mВ секциях с правильными оконечными сопротивлениями входное сопротивление может быть достаточно постоянным в полосе пропускания. [2]
Многоэлементные типы [ править ]
Многоэлементные фильтры обычно строятся в виде лестничной сети . Их можно рассматривать как продолжение L-, T- и π-дизайнов фильтров. Больше элементов необходимо, когда желательно улучшить некоторые параметры фильтра, такие как подавление полосы задерживания или крутизна перехода от полосы пропускания к полосе задерживания.
Активные фильтры [ править ]
Активные фильтры реализованы с использованием комбинации пассивных и активных (усилительных) компонентов и требуют внешнего источника питания. В конструкциях активных фильтров часто используются операционные усилители . Они могут иметь высокую добротность и обеспечивать резонанс без использования индукторов. Однако их верхний предел частоты ограничен полосой пропускания усилителей.
Другие технологии фильтрации [ править ]
Помимо сосредоточенной компонентной электроники, существует множество технологий фильтрации. К ним относятся цифровые фильтры , кристаллические фильтры , механические фильтры , фильтры поверхностных акустических волн (ПАВ), фильтры объемных акустических волн (ОАВ), гранатовые фильтры и атомные фильтры (используемые в атомных часах ).
Передаточная функция [ править ]
- см. также Фильтр (обработка сигналов) для дальнейшего анализа
Передаточная функция фильтра представляет собой отношение выходного сигнала к этому входному сигналу в зависимости от комплексной частоты :
- .
Функция передачи всех линейных инвариантные по времени фильтров, когда построена из сосредоточенных компонентов (в отличие от распределенных компонентов , таких как линия передачи), будет отношение двух многочленов в , т.е. рациональной функции от . Порядком передаточной функции будет наивысшая степень из числа, встречающегося в числителе или знаменателе.
Классификация по топологии [ править ]
Электронные фильтры можно классифицировать по технологии их реализации. Фильтры, использующие пассивные фильтры и технологии активных фильтров, можно дополнительно классифицировать по конкретной топологии электронного фильтра, используемой для их реализации.
Любая данная передаточная функция фильтра может быть реализована в любой топологии электронного фильтра .
Вот некоторые распространенные топологии схем:
- Топология Кауэра - пассивная
- Топология Саллена – Ки - активная
- Топология множественной обратной связи - активная
- Топология переменной состояния - активная
- Биквадратная топология - активная
Классификация по методологии проектирования [ править ]
| Линейные аналоговые электронные фильтры |
|---|
Исторически конструкция линейного аналогового фильтра развивалась с помощью трех основных подходов. Самые старые конструкции - это простые схемы, в которых основным критерием проектирования была добротность схемы. Это отражало применение фильтрации радиоприемником, поскольку Q была мерой частотной избирательности схемы настройки. С 1920 - х гг фильтры начали быть разработаны с изображения точки зрения, в основном гонят требованиями телекоммуникаций. После Второй мировой войны доминирующей методологией был сетевой синтез . Изначально использовавшаяся высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений полиномиальных коэффициентов, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным. [3]
Анализ прямой цепи [ править ]
Фильтры низкого порядка могут быть разработаны путем непосредственного применения основных законов схемы, таких как законы Кирхгофа, для получения передаточной функции. Такой анализ обычно проводится только для простых фильтров 1-го или 2-го порядка.
Анализ импеданса изображения [ править ]
Этот подход анализирует участки фильтра с точки зрения того, что фильтр находится в бесконечной цепочке одинаковых участков. Его преимущества заключаются в простоте подхода и возможности легко расширяться до более высоких порядков. Его недостаток состоит в том, что точность прогнозируемых откликов зависит от оконечных сопротивлений фильтра в импедансе изображения, что обычно не так. [4]
Сетевой синтез [ править ]
В Сети синтеза начинает подход с требуемой передаточной функцией , а затем выражает то , что в качестве полиномиального уравнения входного импеданса фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются путем разложения этого полинома на дробную или непрерывную дробь. В отличие от метода изображения, нет необходимости в схемах согласования импеданса на оконечных устройствах, поскольку влияние согласующих резисторов учитывается с самого начала. [4]
Вот изображение, на котором сравниваются фильтры Баттерворта, Чебышева и эллиптические фильтры. Все фильтры на этом рисунке представляют собой фильтры нижних частот пятого порядка. Конкретная реализация - аналоговая или цифровая, пассивная или активная - не имеет значения; их результат будет таким же.
Как видно из изображения, эллиптические фильтры резче, чем все остальные, но они показывают рябь по всей полосе пропускания.
См. Также [ править ]
- Аналоговый фильтр
- Аудио кроссовер
- Аудио фильтр
- Каскадный интегратор-гребенчатый фильтр
- Гребенчатый фильтр
- DSL фильтр
- Фильтр Найквиста
- RF и микроволновый фильтр
- Коммутируемый конденсаторный фильтр
- Цепи управления тембром
- Фильтр, управляемый напряжением
Примечания и ссылки [ править ]
- ^ Джанхотов В., Гибридный ЖК-фильтр для силовых электронных приводов: теория и реализация , 2009
- ^ The American Radio Relay League, Inc .: "Справочник ARRL, 1968", стр. 50
- ^ Брей, Дж., Инновации и революция в коммуникациях , Институт инженеров-электриков.
- ^ a b Маттеи, Янг, Микроволновые фильтры Джонса , сети согласования импеданса и структуры связи МакГроу-Хилл 1964
- Зверев, Анатолий, I (1969). Справочник по синтезу фильтров . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-98680-1.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Каталог типов пассивных фильтров и значений компонентов. Библия для практического проектирования электронных фильтров.
- Уильямс, Артур Б. Тейлор, Фред Дж (1995). Справочник по проектированию электронных фильтров . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-070441-4.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с электронными фильтрами . |
- Примечание по применению National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a), описывающее теорию аналоговых фильтров
- Основы электротехники и электроники - Подробное объяснение всех типов фильтров
- Фильтры BAW (на французском языке; PDF)
- Некоторые интересные конфигурации и преобразования дизайна фильтров
- Аналоговые фильтры для преобразования данных
