Глава 4. Фільтри електричних сигналів

4.1. Типи електричних фільтрів

Однією з поширених операцій, що виконуються в радіоелектронних колах, є виділення певного сигналу або частини його спектра з сукуп­ності інших сигналів та завад. Для цього використовують електричні фільтри. Виділення електричних сигналів можна здійснювати за одним з їхніх параметрів: частотою, амплітудою або тривалістю. Відповідно фільтри можуть бути частотними, амплітудними або часовими. Амплітудні та часові електричні фільтри застосовуються для виділення імпульсних і цифрових сигналів.

Частотним електричним фільтром називають вибірний чотириполюсник, що передає сигнал з найменшим ослабленням у заданій частині спектра частот, яка називається смугою пропускання (прозорості), й максимальним ослабленням за межами цієї смуги. Частота, що розділяє сму­гу прозорості та непрозорості фільтра, називається його граничною частотою, або частотою зрізу.

Класифікувати електричні фільтри можна за різними ознаками:

• за призначенням та типом частотної характеристики;

• за фізичними процесами в них;

• за наявністю або відсутністю в схемі фільтра активних елементів;

• за схемами побудови тощо.

За призначенням і типом частотної характеристики електричні фільтри поділяють на фільтри нижніх частот (ФНЧ), фільтри верхніх частот (ФВЧ), смугові, режекторні (рис.4.1).

Фільтр нижніх частот — це частотний електричний фільтр, що має смугу пропускання, розташовану нижче деякої заданої частоти зрізу, яка називається верхньою граничною частотою f_в.

Фільтр верхніх частот — це частотний електричний фільтр, що має смугу пропускання, розташовану вище деякої заданої частоти зрізу, яка називається нижньою граничною частотою f_н.

Рис.4.1 Класифікація фільтрів електричних сигналів

Рис. 4.2. Триланкові ланцюжкові електричні Рис. 4.3. Мостові схеми електричних

фільтри верхніх (а) і нижніх (б) частот фільтрів: а – міст Віна; б – подвійний

Т–міст

Смуговий фільтр має смугу пропускання, розташовану між верхньою та нижньою граничними частотами: .

Режекторний фільтр характеризується не смугою пропускання, а смугою затримки, розташованою між двома заданими смугами пропускання.

За фізичними процесами фільтри поділяють на електричні й електромеханічні. В електричних фільтрах використовуються дискретні L-, С-, R-елементи або їхні мікросхемні аналоги. В електромеханічних фільтрах відбувається перетворення електричних коливань на механічні, фільтра­ція яких і здійснюється, з наступним оберненим перетворенням механіч­них коливань на електричні.

Частотні електричні фільтри, до складу яких входять транзистори або мікросхеми, називають активними, а решту фільтрів — пасивними.

За схемами побудови розрізняють резонаторні, ланцюжкові, мостові та цифрові електричні фільтри. Прикладами резонаторних (реактивних) фільтрів є одиничні та зв'язані коливальні контури, п'єзоелектричні, квар­цові фільтри, а також фільтри на поверхневих акустичних хвилях.

Ланцюжкові та мостові схеми фільтрів (рис.4.2 і 4.3) утворюють каскадним з'єднанням найпростіших і Г-подібних елементів, які можуть містити як L-, С-, R-елементи, так і RL- та RС-елементи. Останні з них, пока­зані на рис. 4.4, а і 4.5, а, мають перевагу перед елементами з індуктивністю, оскільки намотувальні елементи (котушки, дроселі тощо) є громі­здкими,

д осить дорогими деталями радіоелектронної апаратури.

Рис. 4.4. Схема (а), амплітудно-частотна (б), фазочастотна (в) і перехідні (г)

характеристики елементарного ФВЧ – диференціювального ланцюжка

Рис. 4.5. Схема (а), амплітудно-частотна (б), фазочастотна (в) і перехідні (г)

характеристики елементарного ФНЧ інтегрувального ланцюжка

Безумовно, у розглянутій класифікації один і той самий фільтр електричних сигналів за різними ознаками належить одночасно до різних класів. Наприклад, коливальний контур, що вивчається в курсі фізики середньої школи, є смуговим резонаторним пасивним електричним фільтром із зосередженими елементами, а той самий коливальний контур для діапазону дециметрових або сантиметрових хвиль, побудований на відрізках довгих ліній, є фільтром із розосередженими елементами, хоча решта його ознак залишаються без змін.

У курсі фізики середньої школи розглядають лише найпростіші RС-фільтри (у схемах амплітудного детектора, підсилювача напруги тощо) та резонансний LС-фільтр (у схемі автогенератора, амплітудного модулятора, радіоприймача). Тому докладно зупинимося лише на цих фільтрах.