Сравнение пассивных фильтров с другими видами фильтров.
Достоинства пассивных фильтров: в качестве фильтрующих цепей, особенно в области низких частот (десятки килогерц и ниже), могут быть использованы различные схемы, образованные только из резисторов и емкостей (RC-цепи). В последнее время в связи с требованиями к микроминитюаризации электронной аппаратуры широко внедряются в практику RC-цепи, образованные не только дискретными R- и C-элементами, но и распределенными. Замена дискретных элементов распределенными приводит в ряде случаев не только к уменьшению габаритных размеров, но и к улучшению электрических характеристик фильтров. К достоинствам следует также отнести простоту конструкции фильтров и надежность.
К недостаткам пассивных фильтров следует отнести их большие масса габариты, особенно это относится к LC-фильтрам. Низкочастотные фильтры обычно никогда не делают на таких базисных элементах, так как здесь потребовались бы слишком громоздкие и дорогостоящие катушки индуктивности.
3. Описание и классификация активных фильтров. Фильтр нижних частот. Описание и классификация активных фильтров.
Активный фильтр – аналоговый электронный фильтр, в котором присутствует один или несколько активных компонентов.
При использовании в качестве элемента схемы фильтра операционного усилителя (ОУ) можно синтезировать характеристику любого LC-фильтра без применения катушек индуктивности. В отличие от пассивных RC-фильтров, активные обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В схемы активных фильтров помимо пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности) входят такие активные изделия, как транзисторы или интегральные микросхемы.
Активные резисторно-конденсаторные фильтры имеют огромное преимущество перед их пассивными аналогами, особенно на частотах ниже 10 кГц. Пассивные фильтры для низких частот должны содержать катушки большой индуктивности и конденсаторы большой емкости. Поэтому они получаются громоздкими, дорогостоящими, а их характеристики оказываются далеко не идеальными.
Схемы дифференциатора (см. рис. а) и интегратора (см. рис. б), построенные с применением операционных усилителей, представляют собой простейшие активные фильтры. При выборе элементов схемы в определенной зависимости от частоты дифференциатор становится фильтром верхних частот, а интегратор - фильтром нижних частот.
Активные фильтры можно разделить на группы по различным признакам: назначению, полосе пропускаемых частот, типу усилительных элементов, виду обратных связей и др. По полосе пропускаемых частот фильтры делятся на четыре основные группы: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие.
По назначению фильтры делятся на сглаживающие фильтры источников питания, заграждающие фильтры помех, фильтры для селективных усилителей низкой или высокой частоты и др.
По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры, фильтры на усилителях с ограниченным усилением, на операционных усилителях, на повторителях напряжения и др. Все рассмотренные фильтры могут иметь одну цепь обратной связи или несколько. В связи с этим различают фильтры с одноконтурной и с многоконтурной обратной связью. Кроме этого, 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.
Широкие возможности активных RC-фильтров связаны с использованием в них активных элементов. Цепи, содержащие только сопротивления и емкости, имеют полюсы передаточной функции на отрицательной действительной полуоси комплексной плоскости p=σ+iω, что ограничивает возможности создания фильтров. В отличие от пассивных, активные RC-фильтры (ARС-фильтры) могут иметь полюсы в любой части комплексной плоскости. Однако схемы с полюсами в правой полуплоскости неустойчивы, поэтому в активных фильтрах используются только те схемы, полюсы передаточной функции которых располагаются в левой полуплоскости или на оси jω.
При проектировании активных фильтров фильтр заданного порядка разбивается на звенья первого и второго порядка. Результирующая АЧХ получится перемножением характеристик всех звеньев. Применение активных элементов (транзисторов, операционных усилителей) позволяет исключить влияние звеньев друг на друга и проектировать их независимо. Это обстоятельство значительно упрощает и удешевляет проектирование и настройку активных фильтров.