Активный фильтр

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 усилитель. Усилители, включенные в конструкцию фильтра, могут использоваться для повышения стоимости, производительности и предсказуемости фильтра.

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. Форму отклика, добротность Q ( ) и настроенную частоту часто можно установить с помощью недорогих переменных резисторов. В некоторых схемах активных фильтров один параметр можно регулировать, не затрагивая другие.

• 1 Типы
• 2 Конструкция активных фильтров
  • 2.1 Сравнение с пассивными фильтрами
• 3 См. Также
• 4 Ссылки
• 5 Внешние ссылки

Фильтр KROHN-HITE 1974 года модели 3500.

Использование активных элементов имеет некоторые ограничения. Базовые уравнения конструкции фильтра не учитывают конечную полосу пропускания 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.

Конфигурации схемы активного фильтра (топология электронного фильтра ) включают:

• фильтры Саллена-Ки и VCVS (низкая чувствительность к допуска компонента)
• Фильтры переменных состояния и биквадратные или биквадратные фильтры
• Двойной полосовой фильтр усилителя (DABP)
• Винд режектор
• Несколько фильтров обратной связи
• (наименьшее количество компонентов для 2 операционных усилителей, но с хорошей управляемостью по частоте и типу)
• (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 высоких частот - затухание частот ниже их точек отсечки.
• Фильтр низких частот - затухание частот выше их точек отсечки.
• Полосовой фильтр - ослабление частот как выше, так и ниже тех, которые они пропускают.
• Полосовой фильтр (режекторный фильтр) - ослабление одних частот при пропускании всех остальных.

Возможны комбинации, такие как режекторный и высокочастотный (в фильтре грохота , где большая часть мешающего грохота исходит от определенной частоты). Другим примером является эллиптический фильтр.

Для разработки фильтров необходимо установить следующие спецификации:

• Диапазон желаемых частот (полоса пропускания) вместе с форма частотной характеристики. Это указывает на разновидность фильтра (см. Выше) и центральную или угловую частоту.
• Требования к входному и выходному импедансу. Они ограничивают доступные топологии схем; например, большинство, но не все топологии активных фильтров обеспечивают буферизованный (с низким импедансом) выход. Однако помните, что внутренний выходной импеданс 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 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, чтобы преобладал шум.
• Степень, в которой нежелательные сигналы должны подавляться.
  • 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, то может потребоваться полосовой фильтр с шахматной настройкой.
  • Для режекторных фильтров степень, в которой должны подавляться нежелательные сигналы на режекторной частоте, определяет точность компонентов, но не Q, который регулируется желаемой крутизной прорези, т. е. полоса пропускания вокруг метки до того, как затухание станет малым.
  • Для высоких и низких частот (а также полосы пропускания пропускают фильтры далеко от центральной частоты), требуемое подавление может определять крутизну необходимого ослабления и, таким образом, «порядок» фильтра. Всеполюсный фильтр второго порядка дает предельную 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 фазовую характеристику и временную реакцию на входной сигнал прямоугольной формы . Несколько важных форм отклика (коэффициентов затухания) имеют хорошо известные названия:
  • фильтр Чебышева - пик / пульсация в полосе пропускания перед углом; 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 и монотонную, для более крутого спада
  • фильтр Линквица – Райли - желаемые свойства для приложений кроссовера аудио, самое быстрое время нарастания без выброса; Q = 0,5 (критически демпфированный )
  • фильтр Пейнтера или переходный фильтр Томпсона-Баттерворта или «компромиссный» фильтр - более быстрое падение, чем Бесселя; Q = 0,639 для фильтров 2-го порядка
  • фильтр Бесселя - максимально плоский 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 демпфирования без режекции. 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 усиление, увеличивая доступную мощность в сигнале по сравнению с входной. Пассивные фильтры рассеивают энергию из сигнала и не могут иметь чистого увеличения мощности. Например, для некоторых диапазонов частот на звуковых частотах и ​​ниже активный фильтр может реализовать заданную передаточную функцию без использования катушек индуктивности, которые Относительно большие и дорогие компоненты по сравнению с резисторами и конденсаторами, изготовление которых требует более высоких затрат качества и точности. Это преимущество может быть не столь важным для активных фильтров, полностью интегрированных в микросхему, потому что доступные конденсаторы имеют относительно низкие номиналы и, следовательно, требуют резисторов высокой стоимости, которые занимают площадь интегральной схемы. Активные фильтры имеют хорошую изоляцию между ступенями и могут обеспечивать 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; произведение усиления и полосы пропускания усилителя будет ограничивать максимальную используемую частоту.

• Портал электроники

• Фильтр активной мощности
• Отрицательный резистор, зависящий от частоты

1. ^ Дон Ланкастер, Поваренная книга активного фильтра, Howard W. Sams and Co., 1975 ISBN 0-672-21168-8 страницы 8-10
2. ^«Полосовой фильтр операционного усилителя». Базовые руководства по электронике. 2013-08-14. Проверено 26 декабря 2018.
3. ^Мухаммад Х. Рашид, Микроэлектронные схемы: анализ и проектирование, Cengage Learning, 2010 ISBN 0-495-66772-2, страница 804
4. ^«Фильтры ограничения полосы называются фильтрами отклонения». Базовые руководства по электронике. 2015-10-20. Проверено 26 декабря 2018 г.
5. ^Дон Ланкастер, Поваренная книга активных фильтров, Elsevier Science, 1996 ISBN 9780750629867
6. ^«Базовое введение в фильтры - активные, пассивные и Switched-Cap (Rev. A) Аналоговый и смешанный сигнал SNOA224A - TI.com " (PDF). www.ti.com. Проверено 3 февраля 2020 г.

Викискладе есть материалы, связанные с Активными фильтрами .

• Эксперт по аналоговым фильтрам с раздельным питанием
• Введение в активные фильтры
• Активный фильтр статьи, связанные с дизайном
• Мастер аналоговых фильтров : Инструмент для создания активных фильтров