Активные фильтры:

Фильтрами называются частотно-изберательные цепи, спроектированные для “пропускания” или передачи синусоидальных сигналов в одной или более непрерырвных частотных полосах и “остановки” или заграждения в дополняющих полосах.

Активные фильтры построены из сопротивлений, конденсаторов и усилителей (обычно операционных) и предназначены для того, чтобы из всех подаваемых на их вход сигналов пропускать на выход сигналы лишь некоторых заранее заданных частот. Эти обладающие частотной избирательностью схемы используются для усиления и ослабления определенных частот звуковой аппаратуре, в генераторах электромузыкальных инструментов, в сейсмических приборах, в линиях связи, а также в исследовательской практике для изучения частотного состава самых разнообразных сигналов, таких, например, как биотоки мозга или механические вибрации, Активные фильтры находят применение почти в любой области электроники.

Преимущества активных фильтров:

1. В них используются только сопротивления и конденсаторы, т.е. компоненты, которые ближе всего к идеальным;

2. Они относительно дешевы;

3. Они могут обеспечивать усиление в полосе пропускания и редко вносят существенные потери;

4. Использование в активных фильтра операционных усилителей обеспечивает развязку входа от выхода (поэтому активные фильтры легко делать много каскадными и тем самым улучшать их показатели);

5. Активные фильтры относительно легко настраивать;

1. Фильтры для очень низких частот могут быть построены из компонентов, имеющих умеренные значения параметров; Активные фильтры не велики по размерам и массе.

Активные фильтры имеют и недостатки. Они нуждаются в источнике питания, а их рабочий диапазон частот ограничен сверху максимальной рабочей частотой операционного усилителя. Это приводит к тому, что большинство активных фильтров может работать лишь на частотах, не превышающих несколько МГц, хотя отдельные типы операционных усилителей могут обеспечить работу фильтров и на более высоких частотах. По мере улучшения операционных усилителей их частотных характеристик будет увеличиваться и верхний частотный предел активных фильтров.

Любой фильтр, как активный, так и пассивный (т.е. не содержащий усилителей), пропускает со своего входа на выход лишь определенную часть всего спектра частот. Фильтры классифицируются по тому, какова эта пропускаемая часть частотного спектра:

- фильтры нижних частот;

- фильтры верхних частот;

- полосовые фильтры;

- режекторные фильтры.

Фильтры нижних частот пропускают на выход все частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза , и ослабляют все частоты, превышающие частоту среза. Диапазон частот от нуля до f_СР называется полосой пропускания, а диапазон частот, превышающих f_СР — полосой подавления (или заграждения).

Фильтр верхних частот ослабляет все частоты, начиная от нулевой и до частоты, f_СР и пропускает все частоты, начиная с f_СР и до верхнего частотного предела схемы.

Полосовой фильтр пропускает все частоты в полосе между нижней частотой среза f₁ и верхней частотой среза f₂. Все частоты ниже f₁ и выше f₂ ослабляются. Геометрическое среднее частот f₁ и f₂ и называют средней

центральной частотой f₀, т. е:

Рис. 3.30. Передаточная характеристика полосового фильтра

Режекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет все частоты между f₁ и f₂ и пропускает все остальные частоты. Такие фильтры помогают очистить сигнал от монохроматической помехи. Заграждающий полосовой фильтр с узкой полосой ослабляемых частот называют фильтром-пробкой.

Фильтры также классифицируются и по количеству полюсов. Полюс указывает на слагаемое наклона характеристики на переходном участке, обусловленное одной из RC- цепей, используемых для формирования частотной характеристики активного фильтра. Каждый полюс (RC- цепь фильтра) вносит в наклон переходного участка характеристики свои 6 дб/октава. порядок фильтра – это число его полюсов. Например, фильрт нижних частот второго порядка – это двухполюсный фильтр нижних частот , и его характеристика на переходном участке наклона 12дб/октава. соединяя последовательно (каскадно) фильтры низких порядков, можно получать фильтры более высоких порядков.

Коэффициент затухания определяет форму характеристики на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного участка. Таким образом, коэффициент затухания определяет форму частотной характеристики фильтра, т. е. его тип. Так, фильтр Баттерворта второго порядка имеет коэффициент затухания равный α = 1,414.

Добротность Q связывает среднюю частоту полосы пропускания и ее ширину на уровне 3 дБ. Численно добротность равна:

где — средняя частота, f₁—нижняя частота среза на уровне 3 дБ, f₂ — верхняя частота среза на уровне 3 дБ.

Для активных фильтров:.Q = 1/ α

Коэффициент усиления в полосе пропускания К_П активного фильтра равен отношению выходного напряжения к входному:

К_П = U_ВЫХ / U_ВХ

Чувствительностью S одного из параметров фильтра по отношению к другому его параметру называется отношение величины изменения первого параметра к величине изменения второго, если изменение второго параметра вызвало изменение первого.

Часто приходится рассчитывать чувствительность таких параметров полосовых фильтров, как f_СР, ω_0, α, Q. Соответствующие вычисления утомительны и требуют больших затрат времени, но их приходится выполнять, если предполагается использовать фильтр в широком диапазоне внешних температур или если параметры компонентов фильтра имеют большой разброс.