Лекция 11. Активные фильтры

План лекции

1. Основные сведения, классификация и типы частотных характеристик фильтров.

2. Анализ схемы двухполюсного активного фильтра.

3. Каскадное соединение фильтров.

4. Фильтры с переключаемыми конденсаторами.

Основные сведения, классификация и типы частотных характеристик активных фильтров

Фильтры делятся на пассивные и активные. Пассивные фильтры состоят из сопротивлений, индуктивности и емкости, и могут использоваться практически в любом диапазоне частот входных сигналов, но их коэффициент передачи для полезного сигнала всегда меньше единицы. Поэтому там, где позволяет диапазон частот желательно всегда применять активные фильтры. Активные фильтры состоят из резисторов, конденсаторов и усилителей. Причем в качестве усилителей чаще всего используется ОУ. Это дает следующие преимущества:

1. Они способны усиливать сигнал в полосе пропускания.

2. Вид передаточной функции активного фильтра не зависит от характера и свойств источника сигнала и нагрузки, так как используемые в них ОУ обеспечивают практически идеальную развязку источников сигнала и нагрузки.

3. Активные фильтры не требуют использования индуктивности, что особенно важно при фильтрации низкочастотных сигналов. Так как при этом требовались бы большие номиналы индуктивностей, которые в свою очередь характеризуются большими габаритами и массой, плохой воспроизводимостью параметров и низкой их стабильностью.

Основной недостаток активных фильтров – ограниченный диапазон рабочих частот, в первую очередь определяемый полосой пропускания ОУ.

Фильтры классифицируются в зависимости от полосы пропускания. Различают фильтры низких частот (ФНЧ), частотная характеристика которых показана на рис. 65.

Рис. 65. Характеристика ФНЧ

(U_п– напряжение в полосе пропускания,– верхняя частота,– частота среза)

ФНЧ пропускает на выход все сигналы с частотами, начиная от нуля до , и подавляет все сигналы с частотами выше .

Для этого фильтра диапазон частот от нуля до называется полосой пропускания. Диапазон частот выше частоты называется полосой подавления фильтра. Диапазон частот между и называется переходным участком фильтра. Крутизна этого переходного участка является важнейшей качественной характеристикой фильтра.

При этом это такая частота входного сигнала, при которой уровень сигнала на входе фильтра на 3 дБ больше, чем в полосе подавления.

Фильтры высоких частот (ФВЧ) имеют частотную характеристику, приведенную рис. 66.

Рис. 66. Характеристика ФВЧ

(U_п – напряжение в полосе пропускания)

ФВЧ пропускает на выход все сигналы с частотами выше . Теоретически до бесконечности, а реально верхний диапазон ограничен полосой пропускания используемых элементов. Частотаимеет такой же смысл как ив ФНЧ. Переходной участок отдо.Полосовой фильтр имеет частотную характеристику, показанную на рис. 67.

Рис. 67. Характеристика полосового фильтра

Этот фильтр имеет полосу пропускания от до и два переходных участка. Характеризуется центральной частотой

Полосно-заграждающий фильтр, характеристика которого показана на рис. 68,

Рис. 68. Характеристика полосно-заграждающего фильтра

подавляетвсе сигналы с частотами между и, при этом полосно-заграждающий фильтр с очень узкой полосой загражденияназывается режекторным фильтром или фильтром-пробкой. Он настраивается на сигналы с заранее известной частотой помехи (например, частота сети).

Все перечисленные фильтры могут иметь одну из следующих частотных характеристик.

1. Частотная характеристика Баттерворта. Фильтр Баттерворта имеет равномерную частотную характеристику в полосе пропускания и крутизну переходного участка . Под порядком понимается число эквивалентных RC-звеньев входящих в этот фильтр. Однако этот фильтр имеет нелинейную фазово-частотную характеристику, что приводит к появлению «выбросов» на фронтах и спадах при фильтрации импульсных сигналов.

2. Фильтр с частотной характеристикой Чебышева. Имеет волнообразные зубцы в полосе пропускания (неравномерную АЧХ в полосе пропускания), пример которой показан на рис. 69.

Рис. 69. Частотная характеристика фильтра Чебышева

Крутизна переходного участка этого фильтра больше, чем .

Поэтому при одной и той же крутизне переходного участка схема фильтра Чебышева будет проще, чем фильтра Баттерворта. Но и нелинейность будет больше. Фильтр Бесселя, его называют фильтром с линейной фазово-частотной характеристикой. Поэтому рекомендуется применять при фильтрации импульсных сигналов, но только при этом нужно помнить, что крутизна переходного участка этих фильтров меньше, чем . Иногда находят применение обратный фильтр Чебышева, параболический фильтр и так далее.