1.3 Активные фильтры

Фильтры информативной электроники чаще разрабатывают при использовании активных элементов. При этом широко используют операционные усилители.

Фильтры, содержащие активные элементы, называют активными. В современных конструкциях фильтров обычно не используют катушки индуктивности из-за их больших габаритов и высокой трудоемкости изготовления. Поэтому активные фильтры могут быть изготовлены с применением технологии интегральных микросхем. Нередко активные фильтры оказываются дешевле соответствующих фильтрах на пассивных элементах. Они невелики по массе и занимают меньшие объемы. Активные фильтры способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания. Во многих случаях их достаточно легко настроить.

К недостаткам активных фильтров можно отнести:

- использование источника питания;

- невозможность работы на таких высоких частотах, на которых используемые операционные усилители уже не способны усиливать сигнал: их рабочий диапазон частот ограничен сверху максимальной рабочей частотой операционного усилителя.

Обычно выделяют следующие три типа фильтра:

- фильтр нижних частот (ФНЧ), пропускающий все частоты ниже выбранного значения wc и подавляющий высшие частоты;

- фильтр верхних частот (ФВЧ), пропускающий все частоты выше выбранного значения и подавляющий нижние частоты;

- полосовой фильтр (ПФ), пропускающий выбранную полосу частот и подавляющий нижние и верхние частоты.

В таблице 1 укажем достоинства и недостатки вышеуказанных типов фильтров:

Таблица 1 – Достоинства и недостатки фильтров Саллена-Кея

Фильтр	Достоинства	Недостатки
ФНЧ	- высокое входное сопротивление; - относительно небольшой диапазон номинальных элементов.	- относительно высокая чувствительность к разбросу значений элементов; - ограниченные возможности реализации фильтров с К<1; - легко настраиваются только два параметра.
ФВЧ	- относительно небольшой диапазон номиналов элементов.	- относительно высокая чувствительность к отклонениям значений элементов; - не удаётся перекрыть весь диапазон возможных значений. К, и .
ПФ	- относительно небольшой диапазон номиналов элементов.	- относительно высокая параметрическая чувствительность к паразитным параметрам ОУ; - температурные коэффициенты пассивных RC элементов не позволяют компенсировать возникающие под действием ОУ изменения не только АЧХ, но и ФЧХ в полосе пропускания

Проектирование активного фильтра включает в себя два этапа – этап аппроксимации, в котором по заданным техническим требованиям к амплитудно-частотной, фазо-частотной характеристике или характеристике затухания синтезируется передаточная функция и этап реализации, в котором выбирается схема активного фильтра, воспроизводящая выбранную передаточную функцию.

Фильтр Саллена-Кея – один из типов активных электронных фильтров. Данный фильтр назван в честь двух исследователей из Массачусетского Технологического Института, одного из самых престижных технических учебных заведений США и мира, представившего его в 1955 году.

Различают фильтры по числу полюсов на частотной характеристике — фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые границы полос пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания, что, естественно, улучшает качество фильтра. К таким фильтрам относятся фильтры Чебышева, Баттерворта, Бесселя и др.

Несмотря на то, что фильтры, о которых пойдёт речь, имеют коэффициент усиления в полосе пропускания равный единице (0 дБ), это сделано лишь для удобства. Реальные фильтры Саллена-Кея имеют произвольный коэффициент усиления, в отличие от фильтра Баттерворта с единичным коэффициентом.

Реализуется данный тип фильтра в виде простой схемы с двумя резисторами, двумя конденсаторами и активным элементом. В качестве активного элемента в данном случае рассмотрим операционный усилитель – усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. Они почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы. На рисунке 4 показано схематичное изображение операционного усилителя.

Рисунок 4 - Обозначение операционного усилителя на схемах

Выводы имеют следующие значения:

- : неинвертирующий вход;

- : инвертирующий вход;

- : выход;

- : плюс источника питания;

- : минус источника питания.

Отдельный фильтр Саллена-Кея представляет собой фильтр с передаточной функцией второго порядка. Фильтры более высокого порядка могут быть получены включением элементарных фильтров последовательно. Такая топология известна как VCVS-фильтр (англ. voltage controlled voltage source).