Активный фильтр

Аналоговая схема, фильтрующая электронный сигнал с помощью усилителя.

Пример активного фильтра верхних частот топологии Саллена-Ки . Операционный усилитель используется в качестве буферного усилителя.

Активный фильтр — это тип аналоговой схемы , реализующей электронный фильтр с использованием активных компонентов , обычно усилителя . Усилители, включенные в конструкцию фильтра, можно использовать 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 громоздкого или дорогого индуктора. Форму отклика, добротность и настроенную частоту часто можно установить с помощью недорогих переменных резисторов. ^[2] В некоторых схемах активных фильтров один параметр можно регулировать, не затрагивая другие. ^[1]

Типы

Фильтр KROHN-HITE модели 3500 1974 года выпуска.

Использование активных элементов имеет некоторые ограничения. Базовые уравнения проектирования фильтров не учитывают конечную полосу пропускания усилителей. Доступные активные устройства имеют ограниченную полосу пропускания, поэтому на высоких частотах они часто непрактичны. Усилители потребляют энергию и вносят шум в систему. Определенные топологии схем могут оказаться непрактичными, если не предусмотрен путь постоянного тока для тока смещения к элементам усилителя. Возможности управления мощностью ограничены каскадами усилителя. ^[3]

Конфигурации схемы активного фильтра ( топология электронного фильтра ) включают в себя:

• Фильтры Саллена-Ки и VCVS (низкая чувствительность к допуску компонентов)
• Фильтры переменных состояния и биквадратичные или биквадратные фильтры
• Полоса пропускания двойного усилителя (DABP)
• Венская выемка
• Несколько фильтров обратной связи
• Fliege (наименьшее количество компонентов для двух операционных усилителей, но с хорошей управляемостью по частоте и типу)
• Акерберг Моссберг (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 верхних частот – ослабление частот ниже их точек среза.
• Фильтр нижних частот – ослабление частот выше их точек среза.
• Полосовой фильтр – ослабление частот как выше, так и ниже тех, которые они пропускают.
• Полосовой фильтр (Режекторный фильтр) – ослабление определенных частот, пропуская при этом все остальные. ^[4]

Возможны комбинации, такие как режекторный и высокочастотный фильтр (в фильтре грохота , где большая часть неприятных грохотов исходит от определенной частоты). Другой пример — эллиптический фильтр .

Проектирование активных фильтров

Для проектирования фильтров необходимо определить следующие характеристики:

• Диапазон желаемых частот (полоса пропускания) вместе с формой частотной характеристики. Это указывает на разновидность фильтра (см. выше) и центральные или угловые частоты.
• Требования к входному и выходному сопротивлению . Это ограничивает доступные топологии схем; например, большинство, но не все топологии активных фильтров обеспечивают буферизованный (низкий импеданс) выходной сигнал. Однако помните, что внутреннее выходное сопротивление операционных усилителей , если они используются, может заметно возрасти на высоких частотах и ​​уменьшить затухание по сравнению с ожидаемым. Имейте в виду, что некоторые топологии фильтров верхних частот создают на входе почти короткое замыкание на высокие частоты.
• Динамический диапазон активных элементов. Усилитель не должен насыщаться (попадать на шины питания) при ожидаемых входных сигналах, а также не должен работать с такими низкими амплитудами, при которых преобладает шум.
• Степень, в которой следует подавлять нежелательные сигналы.
  • В случае узкополосных полосовых фильтров Q определяет полосу пропускания -3 дБ, а также степень подавления частот, далеких от центральной частоты; если эти два требования противоречат друг другу, то может потребоваться полосовой фильтр с шахматной настройкой .
  • Для режекторных фильтров степень подавления нежелательных сигналов на режекционной частоте определяет точность компонентов, но не добротность, которая определяется желаемой крутизной режекции, т. е. полосой пропускания вокруг режекции до того, как затухание станет небольшим.
  • Для фильтров верхних и нижних частот (а также полосовых фильтров, расположенных далеко от центральной частоты), требуемое подавление может определять наклон необходимого затухания и, следовательно, «порядок» фильтра. Всеполюсный фильтр второго порядка дает предельную крутизну около 12 дБ на октаву (40 дБ/декаду), но крутизна вблизи угловой частоты намного меньше, что иногда требует добавления к фильтру выреза.
• Допустимая «пульсация» (отклонение от плоской характеристики в децибелах) в полосе пропускания фильтров верхних и нижних частот, а также форма кривой частотной характеристики вблизи угловой частоты определяют коэффициент затухания или коэффициент затухания ( = 1/(2Q)). Это также влияет на фазовую характеристику и временную характеристику входного сигнала прямоугольной формы . Несколько важных форм отклика (коэффициентов затухания) имеют хорошо известные названия:
  • Фильтр Чебышева – пик/рябь 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 неравномерность полосы пропускания, хотя и остается монотонной , на более крутой спад.
  • Фильтр Линквица-Райли – желательные свойства для приложений кроссовера звука, самое быстрое время нарастания без выбросов; Q = 0,5 ( критическое затухание )
  • Пейнтера, или переходный Томпсона-Баттерворта, или «компромиссный» фильтр – спад быстрее, 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. Он обеспечивает хорошую линейную фазу.
  • Эллиптический фильтр или фильтр Кауэра — добавьте вырез (или «ноль») сразу за пределами полосы пропускания, чтобы получить гораздо больший наклон в этой области, чем комбинация порядка и коэффициента затухания без выреза. Выходной сигнал аналогичен идеальному фильтру (т.е. хороший ровный отклик как полосы пропускания, так и полосы задерживания).

Сравнение с пассивными фильтрами

Активный фильтр может иметь коэффициент усиления , увеличивающий доступную мощность сигнала по сравнению с входной мощностью. Пассивные фильтры рассеивают энергию сигнала и не могут обеспечить прирост чистой 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 дороже изготавливать с необходимыми высокое качество и точные значения. Это преимущество может быть не столь важным для активных фильтров, полностью встроенных в микросхему, поскольку доступные конденсаторы имеют относительно низкие номиналы и поэтому требуют резисторов большого номинала, которые занимают площадь интегральной схемы. Активные фильтры имеют хорошую изоляцию между каскадами и могут обеспечить высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс; это делает их характеристики независимыми от импеданса источника и нагрузки. При необходимости для улучшения характеристик можно объединить несколько ступеней. Напротив, конструкция многокаскадных пассивных фильтров должна учитывать частотно-зависимую нагрузку предыдущего каскада на каждом каскаде. Возможно сделать активные фильтры перестраиваемыми в широком диапазоне по сравнению с пассивными фильтрами. Поскольку индукторы не используются, фильтры могут быть изготовлены очень компактными и не создавать и не взаимодействовать с магнитными полями, которые могут присутствовать.

По сравнению с активными фильтрами пассивные фильтры не требуют дополнительных источников питания. Усилительные устройства активного фильтра должны обеспечивать предсказуемое усиление и производительность во всем обрабатываемом диапазоне частот; произведение усиления на полосу пропускания усилителя будет ограничивать максимальную частоту, которую можно использовать. ^{[5] [6]}

Смотрите также

• Портал электроники

• Фильтр активной мощности
• Частотно-зависимый отрицательный резистор

Рекомендации

1. Дон Ланкастер, Поваренная книга с активным фильтром , Говард В. Сэмс и компания, 1975 ISBN  0-672-21168-8 , страницы 8-10
2. "Полосовой фильтр операционного усилителя" . Базовые уроки электроники . 14 августа 2013 г. Проверено 26 декабря 2018 г.
3. Мухаммад Х. Рашид, Микроэлектронные схемы: анализ и проектирование , Cengage Learning, 2010 ISBN 0-495-66772-2 , страница 804 
4. «Полосовые фильтры называются режекторными фильтрами» . Базовые уроки электроники . 20 октября 2015 г. Проверено 26 декабря 2018 г.
5. Дон Ланкастер, Поваренная книга с активным фильтром , Elsevier Science, 1996 ISBN 9780750629867 
6. «Базовое введение в фильтры — активные, пассивные и переключаемые фильтры (ред. A), аналоговые и смешанные сигналы SNOA224A — TI.com» (PDF) . www.ti.com . Проверено 3 февраля 2020 г.

Внешние ссылки

• Эксперт по аналоговым фильтрам с разделенным питанием
• Знакомство с активными фильтрами
• Проектирование активного фильтра – статьи по теме
• Мастер аналоговых фильтров: инструмент проектирования активных фильтров