|
Активные фильтры
Теоретические основы электроники
(Фильтры)
5.2. Активные фильтры
Известны очень хитроумные конструкции
активных фильтров, каждый из которых
используется для того, чтобы в качестве
характеристики фильтра получить
нужную функцию, как, например, функция
Баттерворта, Чебышева и др. Можно
спросить: зачем вообще нужно больше
одной схемы активного фильтра?
Причина в том, что каждая схемная реализация
является наилучшей в смысле тех или
иных желательных свойств, и поэтому
«абсолютно лучшей» схемы активного
фильтра не существует.
В этой части будет рассмотрено
несколько схем для реализации фильтров
нижних и верхних частот, а также
полосовых фильтров. Начнем же с популярной
схемы на ИНУН, или управляемого
источника, затем рассмотрим построение
фильтров на основе метода переменных
состояния, и наконец, упомянем о
двойном Т-образном фильтре с высоким
избирательным подавлением («фильтр-
пробка») и о некоторых интересных новых
направлениях в области реализации
фильтров на переключаемых
конденсаторах.
Схемы на ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением)
Фильтр на источнике напряжения,
управляемом напряжением (ИНУН), известный
также просто как фильтр с управляемым
источником, это вариант фильтра Саллена и Ки,
который был описан выше.
В этом случае повторитель с единичным
коэффициентом усиления заменен неинвертирующим усилителем с
коэффициентом усиления, большим 1. На рис. ниже
даны схемы для реализации фильтра
нижних и верхних частот, а также полосового
фильтра. С помощью присоединенных к
выходу ОУ резисторов, образован неин-
вертирующий усилитель напряжения с
коэффициентом усиления К, а остальные
R и С по-прежнему формируют
частотную характеристику фильтра. Как будет
показано далее, эти двухполюсные
фильтры могут быть фильтрами Баттерворта,
Бесселя и др. за счет определенного
подбора параметров элементов. Любое число
двухполюсных секций на ИНУН может
быть соединено каскадно для создания
фильтров более высокого порядка. В
таком соединении отдельные секции,
вообще говоря, не идентичны. Действительно,
каждая секция соответствует
квадратичному сомножителю полинома степени n,
описывающего фильтр в целом.
|
|
|
В большинстве обычных справочников
по фильтрам приведены формулы и
таблицы для всех стандартных характеристик
фильтров, включая отдельные таблицы
для фильтров Чебышева с разными
амплитудами пульсаций. В следующем
разделе будут представлены удобные в
употреблении таблицы для проектирования
фильтров на ИНУН типа Баттерворта,
Бесселя и Чебышева (фильтр Чебышева
с неравномерностью 0,5 и 2 дБ),
используемых в качестве фильтров нижних или
верхних частот. Полосовой и полосноподавляющий
фильтры легко могут быть
составлены из их комбинаций.
Проектирование фильтров на ИНУН
с использованием упрощенных таблиц
Перед тем как пользоваться табл.,
надо решить, какая характеристика фильтра
нам нужна.
Как уже говорилось ранее,
фильтр Баттерворта хорош, если нужна
максимально плоская характеристика в
полосе пропускания, фильтр Чебышева
обеспечивает наиболее крутой спад от
полосы пропускания к полосе
задерживания (ценой некоторой неравномерности
характеристики в полосе пропускания), а
фильтр Бесселя имеет наилучшую фазо-
частотную характеристику, т.е.
постоянное запаздывание сигнала в полосе
пропускания и соответственно хорошую
переходную характеристику. Амплитудно-
частотные характеристики всех этих
типов даны на соответствующих графиках
(рис. ниже). Графики нормированных частотных характеристик 2-, 4-, 6- и 8-полюсных фильтров из табл.
Характеристики фильтров Баттерворта (а) и Бесселя (б) нормированы приведением ослабления 3 дБ к
единичной частоте, а фильтры Чебышева-приведением к этой частоте ослабления 0,5 дБ (в) и 2 дБ (г) соответственно.
|
Фильтры Баттерворта нижних частот.
Если используется фильтр Баттерворта,
то параметры всех секций имеют
одинаковые значения R и С, определяемые
соотношением RC = 1/2·pi·fс, fс -
частота соответствующая значению ослабления
всего фильтра, равному -3 дБ. Чтобы
построить, например, 6-полюсный фильтр
Баттерворта нижних частот, мы
соединяем каскадно три вышеописанные секции
с коэффициентами усиления, равными
соответственно 1,07, 1,59 и 2,48 (желательно
именно в указанном порядке, во
избежание возни с динамическим диапазоном)
и подбором идентичных для всех секций
параметров R и С устанавливаем точку,
отвечающую значению -3 дБ.
Фильтры нижних частот Бесселя и
Чебышева. Ненамного сложнее построить на
ИНУН фильтр Бесселя или Чебышева.
Опять-таки соединим каскадно несколько
двухполюсных фильтров на ИНУН с
предписанным для каждой секции
коэффициентом усиления. Снова в каждой
секции зададим R1 = R2 = R и
C1 = C2 = С.
Но теперь, в отличие от ситуации с
фильтром Баттерворта, произведение RC будет
для каждой секции свое и должно
вычисляться с помощью нормирующего
множителя (его значения для каждой секции
приведены в табл.) по формуле RC = 1/2·pi·fс·fn.
Здесь через fс обозначена
точка, отвечающая значению -3 дБ, для
фильтра Бесселя и граница полосы
пропускания-для фильтра Чебышева, т.е.
это частота, на которой
амплитудно-частотная характеристика спадает ниже
диапазона неравномерности при переходе к
полосе задерживания. Например,
характеристика фильтра Чебышева нижних
частот с неравномерностью 0,5 дБ и fс = 100 Гц
будет плоской с небольшой
неравномерностью от 0 до -0,5 дБ в
диапазоне от 0 до 100 Гц, на частоте 100 Гц
будет затухание 0,5 дБ, а дальше частоты
100 Гц-крутой спад. Значения
параметров приведены в табл. для фильтров
Чебышева, имеющих неравномерность
характеристики в полосе пропускания 0,5
и 2 дБ; у последнего спад к полосе
задерживания несколько круче.
Фильтры верхних частот. Чтобы
построить фильтр верхних частот,
используем показанную ранее конфигурацию
фильтра нижних частот, т.е. поменяем
местами R и С. При этом для фильтра
Баттерворта ничего больше не изменится
(значения R, С и К останутся те же). Для
фильтров Бесселя и Чебышева сами
значения К останутся те же, а нормирующий
множитель fn должен быть обратный, т. е.
для каждой секции новое значение равно
fn= 1/fn (как указано в табл.).
Полосовой фильтр получается при
каскадном соединении фильтров верхних
частот и фильтров нижних частот с
перекрывающимися полосами пропускания.
Полосноподавляющий же фильтр можно
получить с помощью схемы сложения
выходных сигналов фильтров верхних
частот и фильтров нижних частот с
неперекрывающимися полосами пропускания.
Однако такие каскадные фильтры не
очень пригодны там, где нужны фильтры
с высокой добротностью (полосовые
фильтры с крутой переходной областью)
вследствие большой чувствительности
индивидуальных (непарных) фильтровых
секции к значениям параметров
элементов. В таких случаях следует применять
высокодобротную однокаскадную
полосовую схему (т. е. описанную ранее
полосовую схему на ИНУН или
рассматриваемые далее биквадратные фильтры и
фильтры на основе метода переменных
состояния) вместо многокаскадного
фильтра. Даже однокаскадный
двухполюсный фильтр может иметь
характеристику с крайне острым пиком.
Информацию о таких конструкциях фильтров
можно найти в справочниках.
В фильтрах на ИНУН используется
минимальное число элементов (один
операционный усилитель на два полюса
характеристики), при этом они дают
дополнительный выигрыш в виде неинвертирую-
щего коэффициента усиления, низкого
выходного полного сопротивления, малого
разброса значений параметров, простоты
регулировки коэффициента усиления и
способности работать при большом
коэффициенте усиления или высокой
добротности. Их недостаток-высокая
чувствительность к изменениям параметров
элементов и коэффициента передачи
усилителя, кроме того, они не годятся для
построения перестраиваемых фильтров с
устойчивой характеристикой.
|
|
|