Активные фильтры

January 18, 2012 by admin Комментировать »

В электронике имеется много случаев, когда необходимо, чтобы полоса частот была ограничена. Один из примеров — это оптимизация с точки зрения отношения сигнал/шум: мы видели в разд. 5.9, что мощность шума, как правило, прямо пропорциональна ширине полосы в герцах. Следовательно, имеет смысл сделать ширину полосы системы предельно малой, при которой полезный сигнал еще проходит без искажений. Примером из этой области является граммофонная пластинка для проигрывателя со скоростью 78 об/мин, у которой поверхность является источником шума, обусловленного природой материала, из которого она изготовлена. Если такую пластинку проигрывать на широкополосной системе высшего класса, то музыку можно будет едва разобрать за шипением пластинки. Однако если ту же пластинку поставить на электрофон выпуска 1950 года или раньше с его ограниченной полосой частот (порядка 5 кГц), то звучание может оказаться вполне приемлемым. Это происходит потому, что полоса частот достаточно широка, чтобы пропустить музыку, но одновременно достаточно узка, чтобы не дать шуму возможности проявить себя в полную силу. Чтобы получить удовлетворительные результаты при проигрывании такой пластинки на современной широкополосной системе, необходимо искусственно сузить полосу частот с помощью фильтра нижних частот, согласованного с частотным спектром музыки.

Точная фильтрация составляет также сердцевину сегодняшних цифровых систем. Как мы увидим в гл. 14, при взятии выборок аналогового сигнала перед его оцифровыванием наибольшая частота сигнала должна быть строго меньше половины частоты выборок, для чего в отдельных случаях требуется фильтр нижних частот с очень крутым срезом.

Фильтры нижних частот

Характеристика «идеального» фильтра имеет прямоугольную форму и вырезает строго определенную полосу частот (рис. 11.26, а). Характеристика такой формы нереализуема на практике, как и можно было ожидать. Более реальной целью могло бы быть получение характеристики, показанной на рис. 11.26, б; в общем случае, чем более сложным является фильтр, тем круче срез характеристики. Как правило, желательно, чтобы «изгиб» характеристики был настолько резким, насколько это возможно при плоской характеристике в пределах полосы пропускания и быстром переходе к области подавления.

Несколько практических фильтров нижних частот показаны на рис. 11.27 вместе с графиками типичных частотных характеристик. У знакомого нам одиночного 7?С-фильтра (рис. 11.27, а) наибольшая скорость спада равна 6 дБ/ октаву, и переход от горизонтального участка к максимальному наклону происходит постепенно. Фильтр второго порядка (рис. 11.27, б), составленный из двух ЯС-цепей, дает характеристику с более крутым спадом с максимальным наклоном 12 дБ/октаву, но изгиб все еще остается слишком плавным с точки зрения многих применений. Включение индуктивности (рис. 11.27, в) делает схему ощутимо более гибкой. Наличие двух реактивных элементов означает, что максимальный наклон равен 12 дБ/октаву, а наличие тупого резонанса в LC-системе, когда оба реактивных сопротив-

Рис. 11.31. Частотные характеристики фильтра нижних частот, собранного по схеме, приведенной на рис. 11.29, с Rl = R2 = 15 кОм и Сх = С2 = 10 нФ.

Добротность фильтра Q, а значит, и остроту изгиба частотной характеристики легко изменить, варьируя коэффициент усиления А, равный, как обычно, (R3 + R4)/R4. На рис. 11.31 показаны несколько типичных частотных характеристик.

Наклонную часть частотной характеристики можно сделать более крутой, добавляя со стороны входа фильтра перед Я, новые ЛС-звенья (подобные звену на рис. 11.27, а). Добавление каждого звена дополнительно увеличит наклон на 6 дБ/октаву. Затем можно экспериментально подобрать коэффициент усиления усилителя так, чтобы получить изгиб частотной характеристики требуемой остроты. Можно каскадно включить два или большее число активных фильтров и получится характеристика с очень крутым наклоном.

Стоит отметить, что с увеличением коэффициента усиления А и по мере его приближения к трем добротность Q растет и стремится к бесконечности. В общем случае не рекомендуются значения А больше двух, так как в противном случае схема чувствительна к малым отклонениям значений компонентов.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты