Глава 5 фильтры

В современной схемотехнике для селективной обработки сигналов широкое распространение нашли активные RС-фнльтры. Существует четыре типа фильтров: фильтры нижних и верхних ча­стот, полосовые и заграждающие (режекторные) фильтры. Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают сигналы от постоянного тока до определенной частоты среза. Фильтры верхних частот (ФВЧ) про­пускают сигналы от определенной частоты среза до «бесконечно­сти». Верхняя частота этих фильтров определяется предельной ча­стотой работы активных элементов и паразитными емкостями. По­лосовые фильтры (ПФ) пропускают сигналы только в определен­ной полосе частот. Режекторные фильтры (РФ) предназначены для подавления сигнала в определенной полосе частот при приеме ши­рокополосных сигналов.

Задача построения частотно-избирательных схем с высокой доб­ротностью на ЯС-элементах при обеспечении малой чувствительно­сти к изменению параметров рассматривалась многими авторами. Различные способы повышения добротности с применением актив­ных цепей, рассмотренные в литературе, позволяют достичь неогра­ниченного значения добротности, однако чувствительность к изме­нению параметров схемы становится существенной. Подобные схемы обладают малым запасом устойчивости. При разработке фильтров необходимо большое внимание уделять выбору номиналов элемен­тов фазосдвигающих цепей. Не рекомендуется применять конденса­торы с емкостями меньше 200 пФ. В этом случае на паразитные емкости можно не обращать внимание. Для фильтров на инфраниз-ких частотах следует применять конденсаторы с малым ТКЕ.

Промышленностью освоен выпуск интегральных микросхем се­рии К214, которые предназначены для фильтрации низкочастотных сигналов. Фильтр верхних частот К214ФВ1 имеет частоту среза 200 Гц, а в диапазоне частот от 20 Гц до 120 Гц ослабляет сигнал более чем на 41 дБ. Фильтр нижних частот К214ФН1 имеет частоту среза 560 Гц и ослабляет сигнал на 31 дБ для частот выше 800 Гц а сигналы с частотами выше 1150 Гц ослабляются на 81 дБ Ко­эффициент усиления этих микросхем в полосе пропускания нахо­дится в пределах 0,9 — 1,0. Входной сигнал может достигать 2 В Напряжение шума, приведенное ко входу, менее 200 мкВ Сопро­тивление нагрузки должно быть не менее 30 кОм. Серийно выпу­скаемые интегральные микросхемы фильтров имеют ограниченную номенклатуру и не всегда доступны. В то же время для решения различных задач по селекции при создании нестандартной аппара­туры применяют фильтры с большим разнообразием форм АЧХ Для разработки новых фильтров требуется, как правило лишь ме­тодика расчета фазосдвигающих цепей и принцип включения актив­ного элемента. Схемы включения ОУ, которые применяются в фильтрах, показаны в гл. 1.

1. Фильтры с полосой пропускания до 1 кГц

Пассивные RC-фильтры.Пассивные фильтры низких ча­стот строятся наRС-элементах. Частота среза одиночного фильтра определяется выражениемf_ср= 160/RС, гдеf_ср— в килогерцах,R — в омах,С — в микрофарадах. Для увеличения крутизны спада АЧХ используется последовательное соединение несколькихRС-фильтров. В такой схеме звенья имеют равные постоянные вре­мени, однако номиналыR и С могут отличаться. Применяется в основном принцип увеличения номинала сопротивления. Схемы пас­сивных ФНЧ наRС-элементах и их АЧХ приведены на рис 5 1

Динамический фильтр.Полоса пропускания динамического фильтра (рис. 5.2) меняется в зависимости от амплитуды входного сигнала. Это достигается изменением сопротивления полевого тран­зистора при управлении по затвору входным сигналом, преобразо­ванным цепочкойVD1, CL На фильтр сигнал подается с потенциометраRI. Для получения малых нелинейных искажений амплитуда входного сигнала фильтра должна быть не более 100 мВ.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Фильтр низких частот второго порядка. Частота среза АЧХ фильтра (рис. 5.3) определяется выражением

где коэффициент усиления K_у.u= R₂/R₁. При пропорциональном из­менении номиналов элементов схемы может быть получена другая частота среза.

Активный фильтр на полевых транзисторах.Применение поле­вых транзисторов в качестве переменных резисторов позволило соз­дать ФНЧ (рис. 5.4) с частотой среза от 300 Гц до 3,6 кГц при изменении управляющего напряжения от 2 В до 0. Крутизна спада АЧХ выше частоты среза примерно на 35 дБ/на октава. Коэффици­ент гармоник меняется от 0,5 до 1,5% при увеличении входного сигнала от 200 до 600 мВ. Для уменьшения нелинейных искажений в схеме применены цепочкиR1, С1 иR3, СЗ.

Активный RC-фильтр нижних частот.Схема активного фильтра (рис. 5.5) позволяет перестраивать частоту среза от 5 Гц до 10 кГц при сохранении неравномерности АЧХ в полосе пропуска­ния в пределах 1 дБ. Затухание вне полосы пропускания не менее 26 дБ. Входное сопротивление 20 кОм, а выходное сопротивление 100 Ом.

Для снижения требований к точности элементов фильтра в ка­честве резисторов R4, R6, R8, R9 рекомендуется применять пере­менные резисторы. Желательные пределы изменения сопротивлений R4= 1 — 3,6 кОм,R6 = 6,2 — 20 кОм,R8 = 5,1— 7,5 кОм,R9 =0,68- 1,8 кОм. Емкости кон­денсаторов в зависимости от требуемой частоты среза не­обходимо изменять в широ­ких пределах. В табл. 5.1 при­ведены емкости конденсаторов с 10%-ным классом точности для различных частот среза.

Рис. 5.3

Для настройки фильтра от генератора на вход фильт­ра подается сигнал с частотой 0,1 f_Ср. Вольтметром измеря­ется напряжение на конденса­торе С1. Далее устанавливают частоту входного сигнала 0,753f_сри регулировкой рези­стораR4 добиваются напря­жения на конденсаторе С1 на 3 дБ меньше предыдущего зна­чения. Далее вольтметр под­ключают к эмиттеру транзистораVT2 и определяют частотуf_mах, на которой передача сигнала максимальна. Необходи­мо иметьf_mах= 0,91f_ср. В противном случае подстраивается рези­сторR6. Коэффициент передачи фильтра на частоте 0,91f_срдолжен быть равен 1,564 по отношению к сигналу на частоте 0,1f_ср. Коэф­фициент передачи устанавливается резисторомR8. Если после установки коэффициента передачи изменилась частотаf_max, тоoперации по настройке активного звена следует повторить. Далее при подключении вольтметра на выход с помощью резистораR9 на ча­стоте 0,887f_срустанавливают коэффициент передачи, равный еди­нице, по отношению к уровню сигнала на частоте 0,1f_ср.

На графике рис. 5.5 показана зависимость коэффициента по­давления фильтра от частоты при частоте среза 1 кГц.

Рис. 5.4 Рис. 5.5

Рис. 5.6

Таблица 5.1

Пределы изменения часто­ты среза. Гц	С1, мкФ	С2. мкФ	СЗ. С4. мкФ	С5. мкФ
8000 — 10000	0,01	0,0038	0,0015	0,0022
5000 — 8000	0,015	0,0043	0,0022	0.003
3150 — 5000	0,022	-0,0068	0,0033	0,0051
2000 — 3150	0,047	0,01	0,0057	0,0068
1250 — 2000	0,068	0,015	0,0094	0.015
800 — 1250	0,1	0,022	0,015	0.022
500 — 800	0,15	0,047	0,022	0,033
315 — 500	0,25	0,068	0,033	0,047
200 — 315	0,47	0,1	0,05	0,068
125 — 200	0,5	0,165	0,083	O.i5
80 — 125	1,0	0,25	0,15	0,22
50 — 80	1,5	0,43	0,22	0,33
31,5 — 50	2,5	0,65	0,33	0,5
20 — 31,5	4,0	1,0	0,5	0,68
12,5 — 20	6,0	1,33	0,8	1,0
8-12,5	10,0	2,33	1,33	2,0
5 — 8	15,0	4,0	2,0	4,0

Фильтр нижних частот с частотой среза 1 кГц.Полоса пропу­скания ФНЧ (рис. 5.6) от 40 Гц до 1 кГц. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 3 дБ. Настраивается фильтр с по­мощью резистораR9. Точность номиналов элементов 5%.