Активный фильтр - Active filter

Не путать с Фильтр активной мощности.
Пример активного фильтра верхних частот Топология Саллена – Ки. Операционный усилитель используется как буферный усилитель.

An активный фильтр это тип аналоговая схема реализация электронный фильтр с помощью активные компоненты обычно усилитель мощности. Усилители, включенные в конструкцию фильтра, могут использоваться 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 громоздкой или дорогой катушки индуктивности. Форма отклика Q (фактор качества ), а настроенную частоту часто можно установить с помощью недорогих переменных резисторов.[2] В некоторых схемах активных фильтров один параметр можно регулировать, не влияя на другие.[1]

Типы

Фильтр KROHN-HITE модель 3500 1974 года выпуска.

Использование активных элементов имеет некоторые ограничения. В основных уравнениях проектирования фильтров не учитывается конечный пропускная способность усилителей. Доступные активные устройства имеют ограниченную полосу пропускания, поэтому они часто непрактичны на высоких частотах. Усилители потребляют мощность и вносят шум в систему. Определенные топологии схем могут оказаться непрактичными, если не предусмотрен тракт постоянного тока для тока смещения к элементам усилителя. Возможности управления мощностью ограничены каскадами усилителя.[3]

Конфигурации схемы активного фильтра (топология электронного фильтра ) включают:

Активные фильтры могут реализовывать те же передаточные функции, что и пассивные фильтры. Общие передаточные функции:

Возможны комбинации, такие как notch и high-pass (в вибрационный фильтр где большая часть оскорбительного гула исходит с определенной частоты). Другой пример - эллиптический фильтр.

Дизайн активных фильтров

Смотрите также: Дизайн фильтра

Чтобы разработать фильтры, необходимо установить следующие спецификации:

  • Диапазон желаемых частот (полоса пропускания) вместе с формой частотной характеристики. Это указывает на разновидность фильтра (см. Выше) и центральную или угловую частоту.
  • Ввод и вывод сопротивление требования. Они ограничивают доступные топологии схем; например, большинство, но не все топологии активных фильтров обеспечивают буферизованный (с низким импедансом) выход. Однако помните, что внутреннее выходное сопротивление операционные усилители, если используется, может заметно возрастать на высоких частотах и ​​уменьшать затухание по сравнению с ожидаемым. Имейте в виду, что некоторые топологии фильтра верхних частот представляют вход почти с коротким замыканием на высокие частоты.
  • Динамический диапазон активных элементов. Усилитель не должен насыщаться (попадать в шины питания) при ожидаемых входных сигналах, а также не должен работать с такими низкими амплитудами, при которых преобладает шум.
  • Степень отклонения нежелательных сигналов.
    • В случае узкополосных полосовых фильтров Q определяет полосу пропускания -3 дБ, а также степень подавления частот, удаленных от центральной частоты; если эти два требования противоречат друг другу, тогда ступенчатая настройка может потребоваться полосовой фильтр.
    • Для режекторных фильтров степень, с которой должны подавляться нежелательные сигналы на режекторной частоте, определяет точность компонентов, но не Q, который определяется желаемой крутизной режекторного фильтра, то есть шириной полосы вокруг режекторной полосы до того, как затухание станет небольшим.
    • Для верхних и нижних частот (а также полосовых фильтров вдали от центральной частоты) требуемое подавление может определять крутизну необходимого ослабления и, таким образом, «порядок» фильтра. Всеполюсный фильтр второго порядка дает окончательную крутизну около 12 дБ на октаву (40 дБ / декаду), но крутизна, близкая к угловой частоте, намного меньше, что иногда требует добавления в фильтр режекции.
  • Допустимая «пульсация» (отклонение от плоской характеристики в децибелах) в полосе пропускания фильтров верхних и нижних частот, наряду с формой кривой частотной характеристики около угловой частоты, определяет коэффициент демпфирования или коэффициент демпфирования ( = 1 / (2Q)). Это также влияет на фазовый отклик и время отклика на прямоугольная волна Вход. Несколько важных форм отклика (коэффициентов демпфирования) имеют хорошо известные названия:
    • Фильтр Чебышева - пик / рябь в полосе пропускания перед поворотом; Q> 0,7071 для фильтров 2-го порядка.
    • Фильтр Баттерворта - максимально плоская амплитудная характеристика; Q = 0,7071 для фильтров 2-го порядка
    • Фильтр Лежандра – Папулиса - уступает некоторую плоскостность полосы пропускания, хотя все же монотонный, для более крутого падения
    • Фильтр Линквица – Райли - желаемые свойства для применений кроссовера аудио, самое быстрое время нарастания без выброса; Q = 0,5 (критически затухающий )
    • Пэйнтер, или переходный фильтр Томпсона-Баттерворта, или «компромиссный» фильтр - более быстрое падение, чем у Бесселя; Q = 0,639 для фильтров 2-го порядка
    • Фильтр Бесселя - максимально ровная групповая задержка; Q = 0,577 для фильтров 2-го порядка. Обеспечивает хорошую линейную фазу.
    • Эллиптический фильтр или фильтр Кауэра - добавьте отметку (или «ноль») сразу за полосой пропускания, чтобы получить гораздо больший наклон в этой области, чем комбинация порядка и коэффициента затухания. без выемка. Выходной сигнал аналогичен идеальному фильтру (т.е. хорошая плоская характеристика как полосы пропускания, так и полосы заграждения).

Сравнение с пассивными фильтрами

Активный фильтр может иметь прирост, увеличивая доступную мощность сигнала по сравнению с входной. Пассивные фильтры рассеивают энергию сигнала и не могут иметь полезного прироста мощности. Для некоторых диапазонов частот, например для звуковых частот и ниже, активный фильтр может реализовать заданное функция передачи без использования индукторы, которые являются относительно большими и дорогостоящими компонентами по сравнению с резисторами и конденсаторами и которые более дороги в изготовлении с требуемым высоким качеством и точными значениями. Это преимущество может быть не так важно для активных фильтров, полностью интегрированных в чип потому что доступные конденсаторы имеют относительно низкие номиналы и поэтому требуют резисторов высокой стоимости, которые занимают площадь интегральной схемы. Активные фильтры имеют хорошую изоляцию между ступенями и могут обеспечить высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление; это делает их характеристики независимыми от импеданса источника и нагрузки. При желании несколько ступеней можно соединить каскадом для улучшения характеристик. Напротив, конструкция многоступенчатых пассивных фильтров должна учитывать частотно-зависимую нагрузку каждой ступени предыдущей ступени. Можно сделать активные фильтры настраиваемыми в широком диапазоне по сравнению с пассивными фильтрами. Поскольку индукторы не используются, фильтры могут быть очень компактными и не создают магнитных полей, которые могут присутствовать, и не взаимодействуют с ними.

По сравнению с активными фильтрами, пассивные фильтры не требуют дополнительных источников питания. Усиливающие устройства активного фильтра должны обеспечивать прогнозируемое усиление и производительность во всем обрабатываемом диапазоне частот; то Продукт "прибыль – пропускная способность" усилителя будет ограничивать максимальную частоту, которую можно использовать.[5][6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Дон Ланкастер, Поваренная книга активного фильтра, Ховард В. Сэмс и Ко, 1975 г. ISBN  0-672-21168-8 страницы 8-10
  2. ^ "Полосовой фильтр операционного усилителя". Базовые руководства по электронике. 2013-08-14. Получено 2018-12-26.
  3. ^ Мухаммад Х. Рашид, Микроэлектронные схемы: анализ и проектирование, Cengage Learning, 2010 г. ISBN  0-495-66772-2, стр. 804
  4. ^ «Полосовые фильтры называются фильтрами отклонения». Базовые руководства по электронике. 2015-10-20. Получено 2018-12-26.
  5. ^ Дон Ланкастер, Поваренная книга активного фильтра, Elsevier Science, 1996 г. ISBN  9780750629867
  6. ^ «Базовое введение в фильтры - активные, пассивные и переключаемые (Rev. A), аналоговые и смешанные сигналы SNOA224A - TI.com» (PDF). www.ti.com. Получено 2020-02-03.

внешняя ссылка