7.5. Основные сведения о помехоподавляющих фильтрах

В соответствии с расположением полосы пропускания фильтра относительно полосы помехоподавления в частотном спектре различают четыре класса помехоподавляющих фильтров [24, 31], амплитудно-частотные характеристики которых показаны на рис. 7.9:

• фильтры нижних частот (низкочастотные) – ФНЧ, пропускающие сигналы в диапазоне частот от до (рис. 7.9,1);

• фильтры верхних частот (высокочастотные) – ФВЧ, пропускающие сигналы в диапазоне частот от до (рис. 7.9,2);

• полосовые (полосно-пропускающие) ()ПФ, пропускающие сигналы в диапазоне частот от до (рис. 7.9,3);

• заграждающие или режекторные (полосно-задерживающие) ЗФ, пропускающие сигналы в диапазоне частот от 0 до и от до  (рис. 7.9,4)

В зависимости от типов элементов, из которых составлены фильтры, их делят на:

• реактивные, состоящие из элементов L и C;

• пьезоэлектрические, состоящие из кварцевых пластин;

• безындукционные пассивные, состоящие из элементов r и C.

Возможно применение активных rC-фильтров на основе микросхем (операционных усилителей). Это может быть целесообразно в тех случаях, когда пассивные LC-фильтры становятся очень громоздкими при понижении частоты среза до звуковых частот, когда даже при выборе относительно малой емкости (например, 0,01 мкФ) дроссель становится несоизмеримо большого размера и массы. В активном фильтре операционный усилитель преобразует импеданс подключаемой к нему rC-цепи так, что устройство ведет себя как индуктивность.

Для решения конкретных задач по обеспечению надежности функционирования, совместимости, помехозащищенности аппаратуры и других традиционных задач электромагнитной совместимости (ЭМС) чаще всего используются полосовые и режекторные фильтры.

Для целей обеспечения помехозащищенности информационных сигналов и защиты информации, обрабатываемой в технических средствах, от утечки по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок, как правило, используются широкополосные LC-фильтры нижних частот.

Большинство высококачественных фильтров реализуются на основе катушек индуктивности и конденсаторов. LC-фильтры могут содержать также и резисторы. Связь входной и выходной цепей большинства фильтров соответственно с источником сигнала и нагрузкой производится таким образом, чтобы значения их реактивных или полных сопротивлений были равны нулю.

В большинстве LC-фильтров произведение полных сопротивлений емкости и индуктивности при изменении частоты остается примерно постоянным (из-за обратно пропорционального изменения их реактивных сопротивлений при изменении частоты). Например, если емкостное реактивное сопротивление снижается при увеличении частоты, то индуктивное реактивное сопротивление увеличивается на соответствующую величину. Такой фильтр называется фильтром типа К.

Ниже приводятся схемы некоторых типовых симметричных LC-фильтров.

На рис. 7.10 представлены симметричные Т-образный и П-образный LC-фильтры нижних частот. В Т-образном фильтре значения параметров выбираются по следующим выражениям:

(7.15)

где R или – активное или комплексное сопротивление нагрузки фильтра; – круговая частота среза фильтра (см. рис. 7.9); – линейная частота среза.

Формулы (7.15) могут быть выражены через линейную частоту среза:

(7.16)

Суммарная индуктивность фильтра распределяется поровну между катушками (рис. 7.10,а).

Для увеличения крутизны переходной области применяют П-образные фильтры (рис. 7.10,б). Требуемая общая емкость С распределяется поровну между конденсаторами фильтра. Расчет параметров фильтра проводится также по формулам (7.15) и (7.16).

На рис. 7.11 приведены схемы типовых LC-фильтров верхних частот Т-образной и П-образной структур. Фильтрам верхних частот также присуще то преимущество, что для переменного тока конденсаторы и катушки индуктивности работают противоположным образом. Следовательно, в LC-фильтров верхних частот последовательный элемент при увеличении частоты сигнала имеет более низкое реактивное сопротивление. Такой элемент пропускает высокочастотные сигналы, а для сигналов низких частот его реактивное сопротивление велико. Параллельный элемент оказывает шунтирующее влияние на сигналы низких частот, а для высокочастотных сигналов его реактивное сопротивление велико. Большинство LC-фильтров верхних частот являются фильтрами типа К.

Расчетные уравнения для Т-образного фильтра:

(7.17)

где – круговая частота среза (рис. 7.9,2), R или – активное или комплексное сопротивление нагрузки фильтра.

Требуемая суммарная емкость С распределяется поровну между конденсаторами фильтра так, что каждый конденсатор имеет емкость, равную удвоенному расчетному значению.

Для повышения крутизны частотной характеристики фильтра его выполняют по П-образной структуре (рис. 7.11,б). В фильтре требуемая общая индуктивность распределяется поровну между двумя катушками так, что каждая из них имеет индуктивность, равную удвоенному расчетному значению.

Расчетные формулы для определения параметров фильтра те же, что и для предыдущего случая.

На рис. 7.12 приведены схемы типовых полосно-заграждающих LC-фильтров Т-образной и П-образной структур. Полосно-заграждающий фильтр обладает тем преимуществом, что последовательные и параллельные резонансные цепи имеют различные характеристики их полных сопротивлений. Параллельная LC-цепь создает на резонансной частоте максимально большое сопротивление в то время, как у последовательной цепи оно минимально. При соединении этих двух LC-цепей определенным образом, как показано на рис. 7.12, можно создать схему полоснозаграждающего фильтра. Последовательная ветвь обладает минимальным полным сопротивлением на центральной частоте требуемого диапазона. Ее полное сопротивление начинает увеличиваться по обе стороны от частоты резонанса. На центральной частоте эта ветвь оказывает шунтирующее воздействие. Параллельная ветвь на центральной частоте имеет максимальное сопротивление, и оно уменьшается по обе стороны резонанса Эта ветвь препятствует прохождению сигналов в диапазоне частот по обе стороны от центральной частоты.

Для расчета параметров фильтров обеих структур можно воспользоваться следующими формулами:

(7.18)

(7.19)

(7.20)

где – частота резонанса.

На рис. 7.13 приведены схемы типовых полосно-пропускающих LC-фильтров Т-образной и П-образной структур.

Полоснопропускающий фильтр обладает тем преимуществом, что последовательные и параллельные резонансные цепи имеют различные характеристики их полных сопротивлений как и полоснозаграждающий фильтр. Параллельная LC-цепь создает на резонансной частоте максимально большое сопротивление в то время, как у последовательной цепи оно минимально. На основе этих двух LC-цепей можно реализовать полоснопропускающий фильтр. Последовательная ветвь обладает на центральной частоте требуемого диапазона минимальным полным сопротивлением, которое увеличивается по обе стороны от частоты резонанса. Эта ветвь оказывает шунтирующее воздействие на сигналы с частотами выше и ниже центра заданной полосы. Вследствие этого как последовательная, так и параллельная ветвь обеспечивают прохождение сигналов в диапазоне частот, лежащем по обе стороны от заданной центральной частоты.

Для расчета параметров фильтров обеих структур можно воспользоваться следующими формулами:

(7.21)

(7.22)

(7.23)