13.Типовые схемы и параметры rc-фильтров

RC-фильтры широко используются на частотах до нескольких сотен кГц, где катушки индуктивностей громоздки, обеспечивая приемлемую избирательность. RC-фильтры бывают пассивными и активными. Активными считаются RC-фильтры, которые содержат усилительные элементы (например, транзисторы).

АЧХ (рис. 1) и ФЧХ таких фильтров определяются выражениями:

ФНЧ (рис. 1, а) – ;

ФВЧ (рис. 1, б) – ;

ПФ (рис. 1, в) –

д войной Т-образный мост (рис. 1, г), представляющий параллельное соединение Т-образных звеньев ФНЧ и ФВЧ –

.

14.Пассивные rc-фильтры

АЧХ (рис. 1) и ФЧХ таких фильтров определяются выражениями:

ФНЧ (рис. 1, а) – ;

ФВЧ (рис. 1, б) – ;

ПФ (рис. 1, в) –

двойной Т-образный мост (рис. 1, г), представляющий параллельное соединение Т-образных звеньев ФНЧ и ФВЧ –

.

15. Активные rc-фильтры

В качестве активного элемента таких фильтров обычно используются микросхемы операционных усилителей (ОУ), охваченные отрицательной обратной связью, так как их высокое входное сопротивление не нагружает частотно-задающие RC-цепи. Как и обычные RC-фильтры, они могут быть ФНЧ, ФВЧ, ПФ и ЗФ.

Отличительной особенностью активных фильтров является отсутствие катушек индуктивностей. Малогабаритные элементы эквивалентные большой индуктивности с малыми потерями создаются с помощью гираторов – активных RC-схем обращающих знак полного сопротивления, по входу или выходу. Активные RC-фильтры, построенные с применением гираторов называются гираторными и они обладают свойствами RLC-цепей.

Схема гиратора содержит два инвертора знака сопротивлений (рис. 2, а). Схема инвертора знака сопротивления (рис. 2, б) преобразует подключенное к ней сопротивление Z в равное ему сопротивление противоположного знака.

Напряжение на выходе ОУ равно .

Пренебрегая u_вых/K₀ получаем .

Входной ток схемы определяется резистором R и равен ,

О ткуда . Если, например, в качестве Z подключить конденсатор, т , и .

Простейший однозвенный активный ФНЧ (рис. 3, а) является совмещением обычной интегрирующей цепи и неинвертирующего ОУ. Передаточная характеристика фильтра определяется интегрирующей цепью (рис. 3, б). Фильтр называется ФНЧ первого порядка, поскольку многочлен в знаменателе передаточной характеристики имеет первую степень аргумента.

В схеме фильтра второго порядка частотно-задающие элементы связаны не только с входом, но и с выходом ОУ (рис. 3, в).

16. Электроакустические фильтры

Они представляют пьезоэлектрические фильтры (на элементах, использующих пьезоэлектрический эффект) и магнитострикционные фильтры (на элементах, использующих магнитострикционный эффект). Пьезоэлектрические и магнитострикционные фильтры являются устройствами акустоэлектроники. Пьезоэлектрические фильтры основаны на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. Их элементом является пьезоэлектрический резонатор (ПР), представляющий пластину 1 (в виде прямоугольника или диска) из пьезоэлектрического материала (пьезокварц, пьезокерамика и т.п.), на противоположных поверхностях которой нанесены электроды 2, которые имеют выводы 3 (рис. 1, а). ПР может быть представлен в виде электрической эквивалентной схемы двухполюсника (рис. 1, б), где C_к, L_к, R_к – эквивалентные ёмкость, индуктивность и активное сопротивление, а С₀ – ёмкость конденсатора образованного электродами нанесёнными на пьезопластину. ПР имеет частоту последовательного и параллельного резонанса, которые равны и . Добротность ПР Q=2f_sL_д/R_д и достигает десятков и сотен тысяч (реальных LC контуров не превышает 100...200). Поэтому можно пренебречь активными потерями и ЧХ реактивного сопротивления ПР (рис. 1, в) примет вид X(f)=(X_Lд+X_Cд)X_Co/(X_Lд+X_Cд+X_Co).

Включая ПР в поперечные и продольные ветви лестничных схем (рис. 2, а) можно создавать фильтры с параметрами, практически не достижимыми в LC-фильтрах. Такие фильтры обладают малыми потерями, весьма высокой стабильностью, избирательностью (рис. 2, б), устойчивостью к внешним механическим и климатическим воздействиям, малыми габаритами, весом и не требуют настройки. Фильтры образованные двумя и более ПР с использованием механической связи (рис. 3) между ними называются пьезомеханическими фильтрами (ПМФ). Пьезоэлектрические фильтры хорошо работают на частотах от десятков кГц до сотен МГц.

Магнитострикционные фильтры (МСФ) содержат элементы использующие магнитострикционный эффект и в случае механической связи между элементами называются электромеханическими фильтрами (ЭМФ). ЭМФ содержит (рис. 4) ферритовый стержень 1, имеющий круглую, прямоугольную или переменную форму поперечного сечения. Один конец стержня помещается в постоянное (создаваемое магнитом 2) и переменное (создаваемое катушкой L_ВХ за счёт подаваемого входного сигнала U_ВХ(t)) магнитное поле – это входной преобразователь 3. В стержне возникают механические колебания, которые передаются на другой его конец – выходной преобразователь 5. Переменное магнитное поле образуемое в поле постоянного магнита 4 индуцирует в катушке L_вых переменное выходное напряжение U_вых(t).

Э МФ строятся по такой же схеме, как и пьезомеханический фильтр. Они хорошо работают на частотах от десятков до сотен кГц .

В выше указанных фильтрах используются объёмные акустические колебания (волны) (ОАВ).

Пьезоэлектрические фильтры, которые используют сложные структуры пьезопреобразователей, возбуждающие и принимающие поверхностные акустические волны (ПАВ), называются фильтрами ПАВ и относятся к трансверсальному типу. Они содержат встречно-штыревые преобразователи (ВШП) 1 (рис. 5), нанесённые с помощью фотолитографии на пьезоэлектрическую подложку-звукопровод 2. ВШП представляют собой набор металлических электродов 3 подсоединённых к контактным шинам 4. Изменяя число электродов ВШП, располагая их с постоянным или переменным интервалом по длине звукопровода, изменяя перекрытие соседних электродов по их длине (ширине звукопровода) и порядок подключения к контактным шинам можно сформировать различные формы АЧХ и ФЧХ фильтров на ПАВ.

Наиболее эффективно применение таких фильтров в диапазоне частот от 10 до 500 МГц.