Электронные фильтры представляют собой тип фильтра обработки сигналов в виде электрических схем. 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 компоненты из подаваемого сигнала, усиливают нужные или и то, и другое. Они могут быть:
Наиболее распространенными типами электронных фильтров являются линейные фильтры , независимо от других особенностей их конструкции. Подробную информацию об их конструкции и анализе см. в статье о линейных фильтрах.
Самые старые формы электронных фильтров — это пассивные аналоговые линейные фильтры, в которых используются только резисторы и конденсаторы или резисторы и катушки индуктивности . Они известны как однополюсные фильтры RC и RL соответственно . Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные LC-фильтры обеспечивают больший контроль формы отклика, полосы пропускания и полос перехода . Первым из этих фильтров был фильтр с постоянной k , изобретенный Джорджем Кэмпбеллом в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла представлял собой лестничную сеть, основанную на теории линий передачи . Вместе с улучшенными фильтрами Отто Зобеля и других эти фильтры известны как фильтры параметров изображения . Важный шаг вперед был сделан Вильгельмом Кауэром , который основал область сетевого синтеза примерно во время Второй мировой войны . Теория Кауэра позволила построить фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.
Пассивные реализации линейных фильтров основаны на комбинации резисторов (R), катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C). Эти типы под общим названием известны как пассивные фильтры , поскольку 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 делают обратное. Фильтр, в котором сигнал проходит через катушку индуктивности или в котором конденсатор обеспечивает путь к земле, обеспечивает меньшее затухание низкочастотных сигналов, чем высокочастотные сигналы, и, следовательно, 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, следовательно, является фильтром верхних частот . Резисторы сами по себе не обладают частотно-избирательными свойствами, но добавляются к катушкам индуктивности и конденсаторам для определения постоянных времени цепи и, следовательно, частот, на которые она реагирует.
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 МГц ) иногда катушки индуктивности состоят из одиночных петель или полос листового металла, а конденсаторы — из соседних полосок металла. Эти индуктивные или емкостные кусочки металла называются заглушками .
Простейшие пассивные фильтры, RC- и RL- фильтры, включают в себя только один реактивный элемент, за исключением гибридного LC-фильтра , который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенными в одном элементе. [1]
L-фильтр состоит из двух реактивных элементов, последовательно и параллельно.
Трехэлементные фильтры могут иметь топологию «T» или «π», и в любой геометрии возможны низкочастотные , высокочастотные , полосовые или полосно-заграждающие характеристики. Компоненты могут быть выбраны симметричными или нет, в зависимости от требуемых частотных характеристик. Т-фильтр верхних частот, показанный на рисунке, имеет очень низкий импеданс на высоких частотах и очень высокий импеданс на низких частотах. Это означает, что его можно вставить в линию передачи, в результате чего высокие частоты будут передаваться, а низкие частоты отражаться. Аналогично, для проиллюстрированного π-фильтра нижних частот схема может быть подключена к линии передачи, передавая низкие частоты и отражая высокие частоты. Используя секции фильтра на основе m с правильными оконечными сопротивлениями, входное сопротивление может быть достаточно постоянным в полосе пропускания. [2]
Многоэлементные фильтры обычно строятся в виде лестничной сети . Их можно рассматривать как продолжение конструкций фильтров L, T и π. Дополнительные элементы необходимы, когда желательно улучшить некоторые параметры фильтра, такие как подавление полосы задерживания или наклон перехода от полосы пропускания к полосе задерживания.
Активные фильтры реализуются с использованием комбинации пассивных и активных (усилительных) компонентов и требуют внешнего источника питания. Операционные усилители часто используются в конструкциях активных фильтров. Они могут иметь высокую добротность и достигать резонанса без использования индукторов. Однако их верхний предел частоты ограничен полосой пропускания усилителей.
Существует множество технологий фильтрации, помимо электроники с сосредоточенными компонентами. К ним относятся цифровые фильтры , кристаллические фильтры , механические фильтры , фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), фильтры на основе тонкопленочного объемного акустического резонатора (TFBAR, FBAR), гранатовые фильтры и атомные фильтры (используются в атомных часах ).
Передаточная функция фильтра — это отношение выходного сигнала к входному сигналу как функция комплексной частоты :
Передаточная функция всех линейных стационарных фильтров, построенных из сосредоточенных компонентов (в отличие от распределенных компонентов, таких как линии передачи), будет отношением двух полиномов в , т.е. рациональной функцией от . Порядком передаточной функции будет наибольшая степень встречающегося либо в числителе, либо в знаменателе.
Электронные фильтры можно классифицировать по технологии, используемой для их реализации. Фильтры, использующие пассивный фильтр и технологию активного фильтра, можно дополнительно классифицировать по конкретной топологии электронного фильтра , используемой для их реализации.
Любая передаточная функция фильтра может быть реализована в любой топологии электронного фильтра .
Некоторые распространенные топологии схем:
Исторически проектирование линейных аналоговых фильтров развивалось посредством трех основных подходов. Самые старые конструкции представляют собой простые схемы, в которых основным критерием проектирования была добротность схемы. Это отражало применение фильтрации в радиоприемнике, поскольку Q была мерой частотной избирательности схемы настройки. С 1920-х годов фильтры начали разрабатываться с точки зрения изображения , главным образом исходя из требований телекоммуникаций. После Второй мировой войны доминирующей методологией стал сетевой синтез . Первоначально использовавшаяся высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений коэффициентов полинома, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным. [3]
Фильтры низкого порядка могут быть разработаны путем прямого 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.
Этот подход анализирует секции фильтра с точки зрения нахождения фильтра в бесконечной цепочке одинаковых секций. Его преимущества заключаются в простоте подхода и возможности легкого распространения на более высокие порядки. Его недостаток заключается в том, что точность прогнозируемых откликов зависит от ограничений фильтра в импедансе изображения, что обычно не так. [4]
Подход к синтезу сети начинается с требуемой передаточной функции, а затем выражает ее как полиномиальное уравнение входного сопротивления фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются путем разложения этого многочлена в непрерывную или неполную дробь. В отличие от метода изображения, нет необходимости в схемах согласования импеданса на оконечных нагрузках, поскольку влияние нагрузочных резисторов учитывается в анализе с самого начала. [4]
Вот изображение, сравнивающее фильтры Баттерворта, Чебышева и эллиптические фильтры. Все фильтры на этой иллюстрации являются фильтрами нижних частот пятого порядка. Конкретная реализация – аналоговая или цифровая, пассивная или активная – не имеет значения; их выход будет одинаковым.
Как видно из изображения, эллиптические фильтры резче всех остальных, но они показывают рябь по всей полосе пропускания.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Каталог типов пассивных фильтров и номиналов компонентов. Библия практического проектирования электронных фильтров.