Нч фильтр пассивный: Что такое фильтр нижних частот? Руководство по основам пассивных RC фильтров — SJRacing — тюнинг комплектующие для вашего автомобиля

Содержание

Низкочастотный фильтр для сабвуфера

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

Построение различных звуковых усилителей — популярное направление в радиоэлектронике, об этом говорит как минимум обилие различных схем в интернете. Энтузиасты строят мощные продвинутые Hi-Fi усилители, которые по громкости и качеству превзойдут любой фирменный музыкальный центр, некоторые же ограничиваются созданием более маломощных конструкций, которых достаточно для озвучивания квартиры или комнаты. И если с постройкой самого стерео-усилителя проблем обычно не возникает, благо существуют микросхемы с максимально простыми схемами включения, то вот с постройкой аудиосистем формата 2.1 иногда возникают проблемы с сабвуфером. Нужен он для того, чтобы воспроизводить звуки в нижней части звукового диапазона, обычно от 20 до 100-200Гц, особенно актуально наличие сабвуфера в тех случаях, когда основная акустическая система имеет провал на АЧХ в этой области — а такое часто наблюдается в современной аппаратуре, ведь колонки зачастую ставят в простые пластиковые корпуса без каких-либо расчётов объёма. Сабвуфер представляет собой обычно довольно массивный ящик, как правило из дерева, внутри которого стоит низкочастотный динамик — почти как обычная колонка, вот только объём и внутреннее устройство такого ящика рассчитано именно на максимально эффективное воспроизведение частот в области 20-200Гц. Казалось бы, для сабвуфера можно просто построить дополнительный усилитель и просто подключать его выход к низкочастотному динамика — но такой подход не сработает, так как сперва сигнал нужно обработать — оставить только низкие частоты, срезав всё, что выше 200Гц, для этой цели служит схема специального низкочастотного фильтра. Кроме того, она будет являться предусилителем, в её задачи должны входить регулировка громкости и частоты среза, а также смешивание двух сигналов, правого и левого каналов — в усилителе всего один динамик, моно-усилитель, а потому усиление двух независимых сигналов не требуется, логичнее всего будет их просто смешать, чтобы не терять звук с одного из каналов. Схема такого фильтра представлена ниже.

Как можно увидеть, состоит от из 4-х каскадов а операционных усилителях — можно использовать как 4 микросхемы одинарных операционников (TL071, TL081), так и две микросхемы сдвоенных (TL072, TL082), самый оптимальный вариант — использование одного корпуса микросхемы, внутри которой расположено сразу 4 операционных усилителя — это TL074, именно её и использует автор. Рассмотрим более подробно каждую часть схемы. В левой части находится вход — задействованы как правый, так и левый канал, минус источника сигнала (это может быть плеер или телефон, компьютер) соединяется с минусом схемы. Сразу после входа сигнал попадает на переменные резисторы — их здесь два, но на самом деле это один сдвоенный, служит он для регулировки громкости будущего сабвуфера. Здесь можно использовать практически любой потенциометр на сопротивление около 50 кОм, лучше всего подойдёт с характеристикой логарифмической — громкость будет регулироваться более плавно. Далее сигнал попадает на разделительные конденсаторы С1 и С2, их ёмкость обозначена как 1 мкФ — здесь можно использовать плёночные либо керамические конденсаторы, предпочтение стоит отдать плёночным, так как многие хвалят их за более точную передачу сигнала без искажений, хоть они и более дороги и габаритны. На схеме можно увидеть довольно много конденсаторов небольшой ёмкости, как разделительные между каскадами, так и в цепях обратной связи — для всех них действует данное правило. При повторении схемы желательно точно придерживаться номиналов, ведь они задают частоту среза фильтра, а этом может повлиять на звук. Если в наличии нет резистора или конденсатора нужного номинала, то всегда можно собрать его из двух других путём последовательно или параллельного включения, характеристики при этом не ухудшатся.

На схеме можно увидеть загадочную жирную чёрную вертикальную линию, которая проходит через один из операционных усилителей — так показаны контакты питания. Данная схема требует двухполярного питания, это несколько неудобно, но позволяет операционным усилителям обрабатывать переменный сигнал без добавления дополнительных «костылей» в виде резисторных делителей для получения средней точки питания. Как правило, многие мощные усилители, например, TDA7293, которая как раз может использоваться для усиления сигнала для сабвуфера, также питаются от двухполярного напряжения, поэтому питание можно брать одно и то же. Но с усилителями используется обычно довольно высокое напряжение питания — около 30В на каждое плечо, а то и больше, по этому причине необходимо предусмотреть понижающие стабилизаторы на каждое плечо. Автор для этой цели использовать обычные стабилитроны и резисторы на несколько кОм — в данном случае хороший способ, учитывая, что потребление схемы фильтра достаточно мало и не превышает 20-30 мА. Можно использовать также и стабилизаторы серии 78ХХ на положительное плечо питания и 79ХХ — на отрицательное, подойдут даже в корпусе ТО-92, как и стабилитроны, они не займут много места, но будут более надёжны. Напряжение питания схемы может варьироваться в пределах 9-15В.

Также на схеме можно увидеть ещё один сдвоенный переменный резистор, тем же номиналом в 50 кОм — он служит уже для регулировки частоты среза фильтра. Частоту среза необходимо подобрать уже после сборки фильтра, усилителя и самого корпуса сабвуфера, подбирает просто на слух, по наиболее приятному звучанию. Надписью «SUB OUT» на схеме подписан выход — он будет подключаться ко входу мощного усилителя, минус усилителя при этом соединится с минусом схемы фильтра. Обратите внимание, что выход не содержит разделительного конденсатора, так как усилители обычно имеют его входе, если он будет ещё и на выходе фильтра — то конденсаторы получатся включенными последовательно, что приведёт к уменьшению их общей ёмкости.

Собирается схема на небольшой печатной плате, рисунок которой можно найти в архиве в конце статьи, файл открывается в программе Sprint Layout. Плата содержит все необходимые подписи — к ней на проводах будут подключаться выход, три провода для питания (плюс, минус, земля), а также три канала для входа аудио-сигнала (правый, левый, земля). Подключение аудиосигнала на вход и выход схемы необходимо производить экранированными проводами — иначе не избежать постороннего шума в динамике, идеальным вариантов будет расположение платы фильтра непосредственно около платы усилителя.

Выполняется плата методом ЛУТ, отзеркаливать перед печатью её не нужно. Краткое руководство по ЛУТ методу: сперва вырезается нужный по размеру отрезок текстолита (можно взять немного побольше и предусмотреть места для винтов крепления платы), зашкуривается, откладывается в сторонку. После этого рисунок из программы Sprint Layout печатается на лазерном принтере на глянцевой бумаге. Затем рисунок с бумаги переносится на подготовленную поверхность текстолита, сделать это проще всего утюгом, нагревая бумагу с приложенным текстолитом в течение 1-2 минут. Теперь осталось лишь вытравить лишнюю медь в растворе, например, хлорного железа, просверлить отверстия в плате сверлом 0,8 — 1 мм, залудить дорожки — плата готова для запайки деталей. Монтаж также не представляет ничего сложного в соответствии со схемой — особое внимание стоит уделить полярности электролитических конденсаторов.

Получившуюся плату обязательно нужно отмыть от остатков флюса, проверить правильность монтажа и отсутствие замыканий хотя бы визуально. Теперь можно подключать к плате провода и проверять работоспособность — если под рукой ещё нет усилителя и готового сабвуфера, можно для проверки просто подключить на выход схемы наушники, а на вход подать музыку с телефона — должны быть слышны только низкий частоты, оба потенциометра должны корректно работать. Использовать данную схему можно с любым усилителем и любым сабвуфером — она универсальна. Удачной сборки!

Источник (Source)

Фильтр низкой частоты для сабвуфера

Фильтр низкой частоты для сабвуфера выполнен на распространенных операционных усилителях (LM324, LM358). Неотфильтрованный сигнал подается по двум каналам (правый и левый), а в дальнейшем суммируется, фильтруется и поступает на один выход фильтра.

Особенностью схемы фильтра низкой частоты является его балансный вход, который позволяет подключить источники звука как с дифференциальным выходом (трехпроводным каналом), так и с классическим выходом (двухпроводным). Также есть возможность включения фильтра как после предварительного усилителя, так и после усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ), в таком случае на входе схемы сигнал ослабляется резисторами.

Фильтру для сабвуфера придают универсальность широкий диапазон напряжения питания, а также ручки регулировки частоты среза ФНЧ, сдвига угла фазы сигнала и коэффициента усиления.

Основные характеристики фильтра низкой частоты для сабвуфера

Напряжение питания Uпит (DC) …… 3…30В

Ток, потребляемый схемой ….. 50мА

Входное напряжение ….. 0…Uпит

Полоса пропускания ….. 20…250Гц

Нижняя частота среза ….. 20Гц-25Гц-30Гц

Верхняя частота среза ….. 30…250Гц

Коэффициент усиления ….. -20дБ…+20дБ

Регулировка фазы ….. 0…360 градусов

Схема фильтра низкой частоты для сабвуфера

Эту схему можно встретить практически среди всех производителей и распространителей наборов для самостоятельной сборки, собственно, откуда она и была взята.

Резисторы R1-R4 ослабляют сигнал, если он подан с выхода усилителя мощности звуковой частоты.

Балансные блоки выполнены на операционных усилителях (ОУ) U1.1-U1.2 и U1.3-U1.4, которые включены как повторители напряжения с единичным коэффициентом усиления, усиливая сигнал по току. ОУ U2.1 представляет собой сумматор.

Сигнал с выхода сумматора поступает на фильтр верхних частот C5, C7, C8, R23, R25, R26, U2.3, который срезает сигнал в области инфранизких частот. Частота среза будет зависеть от подключенного перемычкой XP1 резистора R23, R25 или R26 и равняться 30Гц, 25Гц или 20Гц.

Далее сигнал поступает на фильтр нижних частот, главным образом состоящий из ОУ U2.4 и его пассивных элементов. Изменяя сопротивление резистора R19, плавно изменяется частота среза в диапазоне 30-250Гц.

Таким образом, образуется изменяемая полоса пропускания, которая будет находиться в диапазон 20Гц-250Гц.

Вращая ручку потенциометра R16, происходит изменение коэффициента усиления, а также изменение угла фазы сигнала. Когда ручка R16 в среднем положении, коэффициент усиления равен -20дБ. В крайних положениях коэффициент усиления равен +20дБ, а угол фазы 0 градусов и 180 градусов соответственно.

Фазовращатель U3.1 позволяет повернуть фазу еще на угол 0-180 градусов.

Регулирование угла фазы позволяет правильно настроить акустическую систему в целом, так как активные фильтры всегда изменяют угол фазы, а в УМЗЧ без фильтров данного эффекта не происходит.

Резистивный делитель R33 и R34 создает среднюю точку питания.

Компоненты схемы фильтра низкой частоты для сабвуфера

При прослушивании музыкальной программы на сабвуфере (тем более в автомобиле) тяжело судить о качестве усиления и о наличии каких-либо искажений. Поэтому, нет необходимости применять дорогостоящие ОУ или пленочные конденсаторы.

Все конденсаторы керамические, за исключением полярных электролитических конденсаторов C14 и C17. Резисторы мощностью 0.25Вт.

Емкости C1-C4 и C18 могут быть как электролитическими полярными, так и неполярными керамическими или пленочными.

В качестве ОУ U1 и U2 можно применить LM324, LM124, MC3403, LM2902, а в качестве U3 можно применить LM358, LM258 или LM2904.

Подключение фильтра низкой частоты для сабвуфера

Подключение фильтра будет зависеть от источника сигнала. Во-первых, это может быть неусиленный (слаботочный) сигнал со звуковой карты или предварительного усилителя. Во-вторых, сигнал на вход фильтра низкой частоты можно подать уже усиленным УМЗЧ. Также, в первом и во втором случае выходы могут быть балансными, это очень редкий случай, но все же.

Когда на вход фильтра подключается неусиленный сигнал по двухпроводной линии (сигнал и земля), то сигнальные провода нужно подключать на X1 (левую) и X3 (правую) клеммы, а клеммы X5 и X7 нужно соединить с минусом питания. Земли сигнальных проводов (правого и левого канала) также нужно соединить с минусом питания.

Если подключение происходит от УМЗЧ, то левый канал подается на X2, правый на X4, а клеммы X5 и X7 необходимо также как и в предыдущем варианте соединить с минусом питания.

Подключая источник с неусиленным дифференциальным выходом (балансный), левый канал — X1 и X5, правый канал — X3 и X7.

Дифференциальный усиленный сигнал подается на клеммы X2 и X6 — левый канал, X4 и X8 — правый канал.

Печатная плата

Печатная плата фильтра низкой частоты для сабвуфера разведена по оригинальной плате из конструктора, идущей в комплекте для самостоятельной сборки. Разведена она не мной. На ней имеются несколько элементов, которые не нужно устанавливать. Я их отметил желтым цветом. Эти элементы совместно с U3.2 образуют генератор прямоугольных импульсов для светодиода. Светодиод мигает, сигнализируя о работе фильтра низкой частоты. Кстати, в комплекте конструктора и на схеме, приложенной к нему, эти элементы отсутствуют. Я собрал сначала с ними, мигающий светодиод раздражает, а в акустической системе слышны помехи. После чего я эти элементы демонтировал.

Размеры печатной платы 100×40мм.

Рекомендации по сборке фильтра низкой частоты для сабвуфера

В первую очередь необходимо установить на плату все семь перемычек. После чего выполняется монтаж остальных компонентов.

После выполнения пайки нужно в обязательном порядке смыть остатки флюса или канифоли, иначе фильтр низкой частоты будет иметь серьезные искажения или вовсе будет работать неисправно.

Также хочу заострить внимание на заземление корпусов переменных резисторов. Настоятельно рекомендую соединить все три корпуса медным проводом и припаять его к отрицательному выводу питания. Если этого не сделать, то в акустической системе будет слышен значительный фон, особенно при касании потенциометров рукой.

Печатная плата фильтра низкой частоты для сабвуфера СКАЧАТЬ

Кроссовер акустический для колонок своими руками: схемы

Кроссовер акустический для аудио колонок и автомобильного сабвуфера, который можно изготовить своими руками. Зачем вообще в акустике нужны такие устройства как кроссовер? А нужен он, чтобы разделять частоты динамических излучателей установленных в акустической системе.

Кроссовер акустический — схемы для аудио колонок и сабвуфера своими руками

Самодельный акустический кроссовер применяемый в домашних колонках или сабвуферах изготовить собственными руками не представляет никакой сложности. Конечно, для этого нужно иметь хоть какие то навыки и прямые руки.

Зачем нужен кроссовер акустический в звуковой системе

Этот электронный прибор собранный по типу фильтров и играет важную роль в акустике. А предназначен он, чтобы разделять поступающий от источника сигнал на несколько рабочих частотных диапазонов используемыми динамиками. Кроссовер практически выполняет работу фильтра по отсеиванию ненужной частоты, тем самым фильтруя весь звуковой тракт.

Подключение кроссовера к колонке

В качестве простого примера здесь можно привести высокочастотные динамики, называемые пищалками. Так вот, если бы в аудио колонках не было установлено акустических кроссоверов, то пищалки просто бы захлебнулись всем спектром средних и особенно басовых частот хлынувшим на них. Ясное дело, что в таком случае говорить о каком то детализированном воспроизведении звука говорить не приходится. Динамические излучатели высокочастотного диапазона не могут воспроизводить другие частоты, кроме высоких.

Какие бывают типы кроссоверов

Аудио кроссоверы, это специальные электронные приборы в составе акустических систем, по типу они бывают активного и пассивного действия, двухполосные и трехполосные.

Положительные и отрицательные стороны пассивного фильтра частот

Пассивный частотный фильтр выполняет фильтрацию звуковых сигналов используя при этом установленные на плате сопротивления, конденсаторы и катушки индуктивности для динамиков. В конечном итоге на этих электронных элементах теряется много полезной мощности идущей на громкоговорители. Именно в этом заключается слабая сторона акустических кроссоверов пассивного типа.

Установка и подключение конструкции частотного фильтра в колонках как правило выполняется в самой ближней точке от динамика.

Из этого следует, что при таком варианте, хватит только одного усилителя мощности, чтобы получить качественный звук. Такая схема использования пассивного фильтра говорит о его положительной стороне в работе акустики.

В продаже акустические фильтры бывают как в виде отдельных модулей так и встроенных в акустику, в основном расчитанные на две или три полосы пропускания. К недостаткам таких электронных устройств пассивного действия можно отнести их неспособность выдерживать длительную максимальную нагрузку. В случае долговременного использования пассивного кроссовера в режиме пиковой нагрузки, чревато входом его из строя.

Кроссовер акустический активного типа, его плюсы и минусы

Устанавливается аудио кроссовер активного типа во входной цепи усилителя мощности, то есть на его входе. По этой причине применение только одного усилителя как в схеме с пассивным фильтром, попросту не получится. Применение активного фильтрующего устройства в аудио системе, означает обеспечение каждого громкоговорителя отдельным трактом усиления сигнала, вне зависимости от используемой им частоты.

Активный кроссовер в противовес пассивного имеет возможность корректного выбора и прецизионной настройки частоты среза. В частности, именно эта функция в устройстве считается наиболее ценной в плане создания качественного звука.

Акустические фильтры частот своими руками

Иногда бывает так, владельца автомобиля не устраивает штатная акустика и он решает заменить ее на более крутую. Но при ее установке в машину выясняется, что эта дорогостоящая аудио система не укомплектована кроссоверами. В этом случае, конечно же нельзя будет получить высококачественную звуковую картину. Почему нельзя, да потому, что без частотных фильтров, пищалки просто выйдут из строя, а без них это уже не звук.

[adsens1]

Решить такую задачу, и тем самым выйти из этого неприятного положения можно только двумя путями — приобрести отдельно кроссоверы в магазине или изготовить их самостоятельно. Кстати, в этом нет ничего сложного, просто нужно прочитать внимательно инструкции по изготовлению таких устройств. Если выбрать вариант самостоятельного изготовления фильтров частот для динамиков, то для этого потребуются соответствующие материалы и инструменты.

Какие нужны материалы и инструменты:

Нормальный мощный паяльник
Прибор для измерения индуктивности катушек
Лак для пропитки катушек
Хлорное железо для травления плат
Стеклотекстолит на основе фольги
Термоусаживаемые трубки
Герметик силиконовый

Кроссовер акустический — последовательные шаги изготовления

Перед началом работ по установке частотного фильтра, желательно хорошо ознакомится с техническими параметрами приобретенных вами динамиков. Одним из самых важных критериев является значение частотного диапазона твитеров, обычно он находится в пределах от 2 до 30 кГц. Далее нужно выяснить чувствительность низко-частотных и высоко-частотных излучателей. Именно по этим характеристикам следует подбирать звуковую схему с подключением кроссовера.

Примечание. Как советуют профессионалы, в авто лучше всего устанавливать кроссоверы второго порядка. Конструктивно они собраны с использованием одного конденсатора и одной катушки для пищалки и такого же набора на вуфер. Такая схема имеет более высокую чувствительность.

Катушки индуктивности для фильтров аудио колонок

Если вы намерены изготовить катушки для фильтров НЧ громкоговорителей, тогда намотку лучше всего выполнять медным эмаль-проводом проводом диаметром 1 мм. Наматывать катушки нужно рядовым методом, виток к витку и в несколько рядов, по завершению наматывания, чтобы витки не расползались, их нужно зафиксировать клеем.

Затем, после намотки, обязательно проверьте получившуюся у вас индуктивность детали с помощью RLC-метра или цифровым мультиметром имеющим функцию измерения индуктивности. Впоследствии, когда уже все катушки будут готовы их нужно поместить в небольшую емкость с лаком (можно применять любой, даже строительный). После этого, дать стечь лаку и высушить их.

Полезная рекомендация. При формировании, желательно использовать ферритовые сердечники. На ферритовом стержне, общее сопротивление катушки значительно снижается, а сама конструкция получается достаточно компактной. Кроме этого, сокращается количество витков, следовательно — меньше расход медного провода.

Изготовление печатной платы под аудио кроссовер

Печатная плата для акустического фильтра сама по себе очень простая, так как на нее будут устанавливаться крупногабаритные детали, поэтому и дорожки-проводники будут широкими. Вначале схему рисуют на бумаге, отмечая точки крепления деталей соответствующие их размерам, то есть под катушки, конденсаторы и сопротивления, а также контактные площадки для соединительных разъемов.

После того, как схема будет нарисована на бумаге, ее нужно приложить к заранее подготовленной заготовке стеклотекстолита на основе медной фольги и шилом, через бумагу наметить точки установки компонентов на фольге. То есть, по этим точкам нужно будет сверлить отверстия.

Когда закончите сверление, здесь нужно будет определится, каким методом вы будете изготавливать дорожки и площадки на плате.
Если выберете метод травления, тогда нужно будет краской закрасить токопроводящие проводники и площадки для пайки выводов деталей, дать краске высохнуть, а затем протравить в растворе хлорного железа.

Есть другой вариант изготовление платы: наметить карандашом на фольге все необходимые места пайки деталей, а между ними острым предметом прорезать линии по фольге до самого текстолита, чтобы контактные площадки не соприкасались между собой. Ну и третий вариант, так сказать «колхозный» метод — он показан на видео ниже. В общем кому как нравится и в силу своих возможностей и способности.

Самостоятельное изготовление фильтра для акустики

Примечание. Все установленные на плате компоненты нужно надежно зафиксировать хорошим клеем и в дополнение затянуть капроновыми хомутами. Такое тщательное крепление вызвано необходимостью установки кроссовера внутри аудио колонки, а не снаружи. А если детали будут плохо закреплены на плате, то их просто оторвет динамическими ударами внутри корпуса. Может быть не сразу, но обязательно оторвет.

Монтаж акустических проводов

Подключение проводов выполняется с помощью паяльника, здесь ничего сложного нет, главное не напутать в соединении, чтобы провода НЧ-громкоговорителя не пустить на ВЧ-динамик, и при этом соблюдать полярность. Кроме этого, акустические провода, подключаемые к фильтру, так же как и компоненты на плате, нужно хорошо зафиксировать клеем, чтобы не болтались.

Представленные здесь рекомендации и советы в изготовлении акустического кроссовера надеюсь помогут вам в самостоятельной сборке этого устройства. Бюджет на это устройство зависит от сложности, количества и качества используемых элементов.

низкой и высокой частоты, полосовые пропускающие. Примеры построения и расчёта. — Студопедия

Пассивный фильтр — электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными.Пассивные фильтры используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

Фильтр ни́жних часто́т (ФНЧ) — один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. В отличие от фильтра нижних частот (НЧ), фильтр верхних частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д.

В схемах пассивных аналоговых фильтров используют реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя такие элементы, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами.

электронный фильтр нижних частот, построенный в виде RC-цепочки

Простейший пассивный фильтр высоких частот — это дифференцирующая RC-цепь.

Запишем уравнения для Uвых и Uвх (в операторной форме):Uвых(S)=I(S)*R; Uвх(S)=I(S)*(R+1/CS)

Отсюда, разделив первое уравнение на второе, получим операторное выражение для коэффициента усиления:

Произведем замену S=jw, — получим зависимость K(jw):K(jw)=jwRС/(1+jwRC)

Выделим в этом выражении вещественную и мнимую части:

Теперь можно получить выражения для построения АЧХ и ФЧХ:

Для сигналов постоянного тока (w=0) такой фильтр имеет коэффициент усиления равный 0, но с ростом частоты он увеличивается.Чтобы определить полосу пропускания — найдем wн — частоту, на которой коэффициент усиления ослабевает в 2 раз, т.е. становится равным » 0,7K¥:

Крутизна спада K(w) на переходном участке этого RC-фильтра составляет 6 дб/окт.

Фильтр (электроника) — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Фильтр.

Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

Типы фильтров

Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры (по виду передаточной функции):

По порядку (степени уравнения) передаточной функции (см. также ЛАФЧХ) различают фильтры первого, второго и более высоких порядков^[1]. Крутизна ЛАЧХ фильтра 1-го порядка в полосе подавления равна 20 дБ на декаду, фильтра 2-го порядка — 40 дБ на декаду, и т. д.

По тому, какие частоты фильтром пропускаются (задерживаются), фильтры подразделяются на

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

В конструкциях пассивных аналоговых фильтров используют сосредоточенные или распределённые реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя их, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами. Другой принцип построения пассивных аналоговых фильтров — это использование механических (акустических) колебаний в механическом резонаторе той или иной конструкции.

Фильтры на сосредоточенных элементах

Простейший LC-фильтр нижних частот

В качестве простейших фильтров низких и высоких частот могут использоваться RC-цепь или LR-цепь. Однако они имеют невысокую крутизну АЧХ в полосе подавления, недостаточную во многих случаях: всего 6 дБ на октаву (или 20 дБ на декаду).

На рисунке показан пример простейшего LC-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности (XL=ωL{\displaystyle X_{L}=\omega L}) и конденсатора (XC=1/ωC{\displaystyle X_{C}=1/\omega C}).

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть ZL=jωL=jXL{\displaystyle Z_{L}=j\omega L=jX_{L}} и конденсатора ZC=1/(jωC)=−jXC{\displaystyle Z_{C}=1/(j\omega C)=-jX_{C}}, где j2=−1{\displaystyle {j}^{2}=-1}, поэтому, для ненагруженного LC-фильтра

K=ZCZL+ZC{\displaystyle K={\frac {Z_{C}}{Z_{L}+Z_{C}}}}.{2}}}}.

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к резонансной частоте ω0=1/LC{\displaystyle \omega _{0}=1/{\sqrt {LC}}}, и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Принято называть зависимость модуля комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты амлитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость фазы от частоты — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка^[2], которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты ω0{\displaystyle \omega _{0}}. Величину ρ=L/C{\displaystyle \rho ={\sqrt {L/C}}} называют характеристическим сопротивлением фильтра или волновым сопротивлением фильтра. ФНЧ, нагруженный на активное сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот ω<ω0{\displaystyle \omega <\omega _{0}}, и убывающую как 1/ω2{\displaystyle 1/\omega ^{2}} на частотах выше ω0{\displaystyle \omega _{0}}.{2}}}}.

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

На сверхвысоких частотах сосредоточенные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности) практически не используются, так как с ростом частоты их типичные для этого диапазона номиналы, а следовательно и габариты, уменьшаются настолько, что изготовление их становится невозможным. Поэтому применяются так называемые линии с распределёнными параметрами, в которых индуктивность, ёмкость и активная нагрузка равномерно или неравномерно распределены по всей линии. Так, элементарный ФНЧ, рассматриваемый в предыдущем разделе, состоит из двух сосредоточенных элементов, представляющих собой резонатор; в случае же распределённых параметров фильтр будет состоять из одного элемента-резонатора (например отрезка микрополосковой линии или металлического стержня).

Конструкции СВЧ фильтров весьма разнообразны, и выбор конкретной реализации зависит от предъявляемых к устройству требований (значение рабочих частот, добротность, максимальное затухание в полосе задержания, расположение паразитных полос пропускания).

Проектирование фильтров на распределённых параметрах является достаточно сложным процессом, состоящим из двух этапов: получение электрических параметров, исходя из требований к устройству; получение габаритных параметров из полученных электрических. В основе современных методов проектирования микроволновых фильтров лежит теория связанных резонаторов.

Электромеханические фильтры

ЭМФ с дисковыми изгибными резонаторами и магнитрострикционными преобразователями

Электромеханический фильтр (ЭМФ) содержит механическую резонансную систему (резонатор) той или иной конструкции. На входе и на выходе фильтра стоят электромеханические преобразователи, которые преобразуют электрические колебания сигнала в механические колебания рабочего тела фильтра и обратно.

ЭМФ получили распространение в трактах промежуточной частоты высококачественных радиосистем (в том числе военных, морских, радиолюбительских и других). Их преимуществом является значительно бо́льшая, чем у эквивалентных LC-фильтров, добротность, позволяющая достичь высокой избирательности, необходимой для разделения близких по частоте радиосигналов в приёмниках.

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Принцип работы активных аналоговых фильтров

Активные аналоговые фильтры строятся на основе усилителей, охваченных петлёй обратной связи (положительной или отрицательной). В активных фильтрах возможно избежать применения катушек индуктивности, что позволяет уменьшить физические размеры устройств, упростить и удешевить их изготовление.

Применение

LC-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые LC-фильтры, например, простейший LC-контур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию.

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.

См. также

Примечания

↑ Как правило^{[уточнить]}, порядок фильтра равен количеству входящих в него реактивных элементов.
↑ А также всегда присутствует активное сопротивление катушки индуктивности и ненулевое выходное сопротивление источника сигнала, что тоже понижает добротность фильтра.
↑ Например, фильтры на поверхностных акустических волнах для электроники цветных стационарных телевизионных приёмников.

Литература

Р. Богнер, А. Константинидис. Введение в цифровую фильтрацию. — Москва: Мир, 1976.
Э. Оппенгейм. Применение цифровой обработки сигналов. — Москва: Мир, 1980.

Ссылки

Фильтр (электроника) — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Фильтр.

Типы фильтров

Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры (по виду передаточной функции):

По тому, какие частоты фильтром пропускаются (задерживаются), фильтры подразделяются на

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

Фильтры на сосредоточенных элементах

Простейший LC-фильтр нижних частот

В качестве простейших фильтров низких и высоких частот могут использоваться RC-цепь или LR-цепь.{2}}}}.

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

Электромеханические фильтры

ЭМФ с дисковыми изгибными резонаторами и магнитрострикционными преобразователями

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Принцип работы активных аналоговых фильтров

Применение

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высок

Разница между фильтром высоких и низких частот (со сравнительной таблицей)

Основное различие между фильтром высоких частот и фильтром низких частот заключается в диапазоне частот, которые они пропускают. Если мы говорим о фильтре высоких частот, значит, это схема, которая позволяет высокой частоте пропускать через нее, в то время как она блокирует низкие частоты. Напротив, фильтр нижних частот — это электронная схема, которая пропускает низкую частоту через нее и блокирует высокочастотный сигнал.

Вы можете подумать, какой диапазон частот высокий, а какой низкий? Существует термин, определенный для фильтров, например, частота среза , — это пороговое значение. Фильтр высоких частот обеспечивает низкое реактивное сопротивление для сигналов с частотой выше этой частоты среза и обеспечивает высокое реактивное сопротивление с частотами ниже этих частот среза.

Фильтр нижних частот обеспечивает низкое реактивное сопротивление сигналам с частотами ниже частоты среза, поэтому низкие частоты могут проходить, но он обеспечивает высокое реактивное сопротивление высокочастотному сигналу и, таким образом, блокирует их.

Перед тем, как приступить к работе с механизмом работы фильтра, остановимся на деталях фильтра. Если вы разрабатываете фильтр, либо фильтр верхних частот (HPF), или фильтр нижних частот (LPF), вам понадобятся электронные компоненты, такие как резистор, конденсатор, усилитель и т. Д.

Здесь следует отметить следующее: если вы используете пассивные компоненты, такие как резистор, конденсатор и т. Д., Результирующий фильтр будет называться пассивным фильтром. Если вы планируете использовать усилитель в схеме фильтра для увеличения усиления отфильтрованного сигнала, тогда вы разрабатываете фильтр, который можно назвать активным фильтром.

До сих пор мы обсуждали решающее различие между фильтром высоких и низких частот, а также компоненты, которые делают его активным или пассивным. Давайте обсудим другие существенные различия с помощью сравнительной таблицы.

Содержимое: фильтр высоких и низких частот

Сравнительная таблица
Определение
Ключевые отличия
Заключение

Таблица сравнения

Параметры	Фильтр высоких частот	Фильтр низких частот
Определение	Это схема, которая позволяет частотам выше частоты среза проходить через нее.	Это схема, которая пропускает частоту ниже частоты среза.
Архитектура схемы	Он состоит из конденсатора, за которым следует резистор.	Он состоит из резистора, за которым следует конденсатор.
Значимость	Это важно, когда необходимо устранить искажение, вызванное низкочастотным сигналом, например шумом.	Это важно для устранения эффекта наложения спектров.
Рабочая частота	Выше частоты среза.	Частота ниже пороговой.
Применения	В усилителях звука, малошумящих усилителях и т. Д.	В цепи связи в качестве фильтра сглаживания.

Определение

Фильтр высоких частот

Фильтр верхних частот ослабляет низкочастотный сигнал и пропускает только высокочастотный сигнал. Хотя он также предлагает ослабление для высокочастотного сигнала, коэффициент ослабления настолько мал, что им можно пренебречь.

Вы, должно быть, думаете, каков процесс разработки фильтра высоких частот, что позволяет ему пропускать высокочастотные сигналы и блокировать сигналы низкой частоты. Это возможно за счет использования характеристик конденсатора и резистора.

Входные сигналы поступают на конденсатор, а затем напряжение на резисторе получается как выходное напряжение. Объединенный термин для сопротивления резистора и сопротивления конденсатора называется реактивным сопротивлением.

В приведенной выше схеме видно, что к резистору подключен конденсатор.

Из приведенного выше уравнения совершенно ясно, что реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте среза. Если частота входного сигнала высокая, реактивное сопротивление примет более низкое значение. Но если частота сигнала низкая, реактивное сопротивление будет высоким.

Надеюсь, теперь вы поняли, почему фильтр высоких частот пропускает высокие частоты, блокируя низкие частоты.

Фильтр низких частот

В фильтре нижних частот положение конденсатора и резистора меняют местами, чтобы можно было получить желаемый выходной сигнал. Когда входной сигнал подается на схему фильтра нижних частот, сопротивление будет постоянно препятствовать, но положение конденсатора влияет на выходной сигнал.

Если высокочастотный сигнал вводится в цепь нижних частот, он будет проходить через сопротивление, которое будет давать ему обычное сопротивление, но

Объясните различные типы фильтров нижних частот

Фильтры нижних частот

Самый простой подход к созданию фильтра — использовать пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.В ВЧ диапазоне работает неплохо, однако на более низких частотах дроссели создают проблемы. Поскольку для более низких частот необходимо увеличивать индуктивность, что требует большего количества витков провода. Он увеличивает последовательное сопротивление, которое ухудшает характеристики индуктора.

Катушки индуктивности
AF физически больше и тяжелее, а потому дороги.
Фильтры нижних частот бывают многих типов, таких как R-C, R-L, инвертированный L-тип, T-тип и π-тип.
Цепь фильтра нижних частот R-C
Простой фильтр нижних частот R-C или LPF может быть легко изготовлен путем последовательного соединения одного резистора с одним конденсатором, как показано ниже.
В этой схеме входной сигнал (Vin) подается на последовательную комбинацию резистора и конденсатора, а выходной сигнал (Vout) передается только через конденсатор.
Этот тип фильтра обычно известен как «фильтр первого порядка» или «однополюсный фильтр».
Почему первого порядка или однополюсного?
Потому что в цепи присутствует только «один» реактивный компонент — конденсатор.
Как мы уже знаем, реактивное сопротивление конденсатора изменяется обратно пропорционально частоте, в то время как значение резистора остается постоянным при изменении частоты.
На низких частотах емкостное реактивное сопротивление (Xc) конденсатора будет очень большим по сравнению с сопротивлением резистора R. Это означает, что потенциал напряжения Vc на конденсаторе будет намного больше, чем падение напряжения Vr. развился через резистор.
На высоких частотах верно обратное: Vc мало, а Vr велико из-за изменения значения емкостного реактивного сопротивления.
При нулевой частоте конденсатор действует как разомкнутая цепь, и выход такой же, как вход.
Однако с увеличением частоты емкостное реактивное сопротивление уменьшается, а значит, и выходное напряжение. На бесконечной частоте емкостное реактивное сопротивление цепи будет равно нулю, и, следовательно, выходное напряжение также будет нулевым.
Поскольку он пропускает низкочастотные сигналы и блокирует высокочастотные сигналы, он называется фильтром нижних частот.
Емкостное реактивное сопротивление конденсатора в Ом определяется как:
Для последовательной цепи, состоящей из одного резистора, соединенного последовательно с одним конденсатором, полное сопротивление цепи Z рассчитывается как:
Следовательно, выходное напряжение на конденсаторе определяется как:
Используя эту формулу, мы можем рассчитать выходное напряжение на любой частоте.
Частотная характеристика фильтра низких частот
Мы уже обсуждали выше, что по мере увеличения частоты, подаваемой на RC-цепь, напряжение на конденсаторе падает, и, следовательно, выходное напряжение (Vout) из схемы уменьшается.
Построив график зависимости выходного напряжения от различных значений входной частоты, можно найти функцию Frequency Response Curve или Bode Plot схемы фильтра нижних частот, как показано ниже.
Как видно из приведенного выше рисунка, частотная характеристика фильтра почти плоская для низких частот, и весь входной сигнал передается непосредственно на выход, что приводит к усилению почти 1, называемому единицей, пока не достигнет его Частота среза точки (ƒc).
Это связано с тем, что реактивное сопротивление конденсатора высокое на низких частотах и блокирует любой ток, протекающий через конденсатор.
После этой точки отсечки частота отклика схемы уменьшается до нуля с наклоном спада -20 дБ / декада или (-6 дБ / октава).Обратите внимание, что угол наклона, этот спад -20 дБ / декада всегда будет одинаковым для любой комбинации RC.
Любые высокочастотные сигналы выше этой частоты среза, подаваемые на схему фильтра нижних частот, будут сильно ослаблены, то есть они быстро уменьшатся. Это происходит потому, что на очень высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора становится настолько низким, что возникает эффект короткого замыкания на выходных клеммах, что приводит к нулевому выходу.
Частота отсечки определяется как точка частоты, в которой емкостное реактивное сопротивление и сопротивление равны, т.е.е. R = Xc. На этой частоте среза фазовый угол составляет 45 ^o, а выходная мощность составляет половину входной мощности. Выходное напряжение составляет 0,707 максимального значения напряжения V _max.
Эта частота среза fc задается как:
Цепь фильтра нижних частот R-L
Схема низкочастотного R-L контура показана на рис. ниже.
В этой схеме выходное напряжение снимается через сопротивление R.
Поскольку реактивное сопротивление, обеспечиваемое катушкой индуктивности L, увеличивается с увеличением частоты, это позволяет частотам до частоты среза fc проходить через катушку без особого сопротивления, но обеспечивает высокое реактивное сопротивление к частотам выше частоты среза.
Выходной сигнал, развиваемый на резисторе R, определяется следующим уравнением:
Частота среза fc задается как:
Частота среза возникает, когда выходное напряжение V _max = 0,707 входного напряжения, R = X _L, V _R = V _L и фазовый угол импеданса составляет 45 ^o.
Перевернутый контур фильтра L-типа
В этой схеме фильтра используются дроссель и конденсатор.Схема перевернутой цепи фильтра L-типа показана на рис. ниже.
Поскольку дроссель обеспечивает высокое реактивное сопротивление на высоких частотах, он блокирует их, а конденсатор C замыкает их на землю, поскольку он обеспечивает незначительное реактивное сопротивление на высоких частотах.
Таким образом, только низкие частоты ниже частоты среза fc могут проходить без значительного ослабления.
В этом фильтре выходной сигнал снимается через конденсатор C.
Цепь фильтра Т-типа
Такая схема фильтра состоит из второго дросселя, подключенного на выходной стороне для улучшения фильтрующего действия.
Такая схема фильтра показана на рис. ниже.
Схема фильтра π-типа
Такая схема фильтра показана на рис. ниже.
Здесь второй конденсатор C2 добавлен в схему для улучшения фильтрующего действия путем заземления более высоких частот.
Катушка индуктивности или дроссель всегда подключаются последовательно между входом и выходом, а конденсаторы заземляются параллельно.
Выходное напряжение снимается на конденсаторе C2.
Фильтры нижних частот | Analog Devices
с одинарным переходом 9039 5 904 905 , Линейная фаза 902920 Lowpass Баттерворт
1 LTC1566-1 Непрерывное время, дифференциальный вход и выход, низкий уровень шума 7 1 Lowpass Эллиптический 2.3M Нет Дифференциальный — Дифференциальный 5,95 долл. США (LTC1566-1CS8 # PBF)
2 LTC1564 В цифровом формате Прог. Фильтр и 4-битный PGA 8 1 Lowpass Programmable Eliptic 150k No Single-Ended 10k $ 8.95 (LTC1564CG # PBF)
3 LTC1565-31 Непрерывные, дифференциальные входы и выходы 7 1 Lowpass Линейная фаза 650k Нет — 3,65 доллара США (LTC1565-31CS8 # PBF)
4 LTC1563-3 Один резистор устанавливает частоту среза: от 256 Гц до 256 кГц, вход / выход Rail-to-Rail 4 2 Lowpass Конфигурируемый резистор 256k Нет Односторонний 256 $ 1.95 (LTC1563-3CGN # PBF)
5 LTC1563-2 Один резистор устанавливает частоту среза: от 256 Гц до 256 кГц, вход / выход Rail-to-Rail 4 2 Bandpass, Lowpass Резистор, настраиваемый 256k Нет Односторонний 256 $ 1,95 (LTC1563-2CGN # PBF)
6 LTC1569-7 Внутренняя или внешняя тактовая частота, частота отсечки: до , Корневой приподнятый косинус 10 1 Lowpass Elliptic 256k Да Односторонний 30 $ 5.95 (LTC1569CS8-7 # PBF)
7 LTC1569-6 Внутренняя или внешняя тактовая частота, частота среза: до 64 кГц при питании 3 В, корень с повышенным косинусом 10 1 Lowpass Elliptic 64k Да Односторонний 20 5,50 долл. США (LTC1569CS8-6 # PBF)
8 LTC1560-1 Непрерывное время, выбираемая пином частота отсечки: 500 кГц или 1 МГц 1 Lowpass Elliptic 1M No — 500k $ 4.65 (LTC1560-1CS8 # PBF)
9 LTC1069-6 Один источник питания 3 В, малое энергопотребление, затухание: 42 дБ при частоте отсечки 1,3x, 66 дБ при 2,0x, 70 дБ при 2,1x 8 1 Lowpass Elliptic 20k Да Односторонний 20 4,80 $ (LTC1069-6CS8 # PBF)
10 LTC1069-1 Low Power, 20 дБ при затухании Частота отсечки 1,2x, 52 дБ при 1,4x, 70 дБ при 2x 8 1 Lowpass Elliptic 12k Да Односторонний 10 $ 4.70 (LTC1069-1CN8 # PBF)
11 LTC1069-7 Линейная фаза. Повышенная косинусно-амплитудная характеристика, затухание: 43 дБ при 2x fcuttoff 8 1 Lowpass Bessel, линейная фаза 200k Да односторонний 40 $ 4,80 (LT8C10)
12 LTC1066-1 14-битная линейность усиления постоянного тока, смещение 1,5 мВ постоянного тока, 7 мкВ / ° C Tempco 8 1 Lowpass Elliptic 120k — Да — Да 20 17 долларов США.10 (LTC1066-1CSW # PBF)
13 LTC1065 Смещение 1 мВ постоянного тока, внутренние или внешние часы, каскадирование для более быстрого спада 5 1 Lowpass Бесселя, линейная фаза Да Односторонний 10 5,50 долл. США (LTC1065CN8 # PBF)
14 LTC1164-6 Маломощный, эллиптический с возможностью выбора вывода или Bessel 8 1 Elliptic с низким энергопотреблением 20k Да — 10 $ 12.35 (LTC1164-6CN # PBF)
15 LTC1264-7 Постоянная групповая задержка, максимальная частота среза 200 кГц 8 1 Lowpass Бесселя, линейная фаза 200k — 40 13,70 долл. США (LTC1264-7CN # PBF)
16 LTC1164-7 Постоянная групповая задержка, низкая мощность, более крутой спад, чем у Бесселя 8 1 Bessel 20k Да — 20 $ 10.80 (LTC1164-7CN # PBF)
17 LTC1164-5 Низкое энергопотребление, отклик Баттерворта или Бесселя с выбором выводов 8 1 Lowpass Баттерворт 20k 9003 — Да 20k — Да 10 10,80 $ (LTC1164-5CN # PBF)
18 LTC1063 Внутренние или внешние часы, смещение постоянного тока 1 мВ, каскадное подключение для более быстрого спада 5 1 Lowpass Butpass 50k Да — 10 5 долларов США.50 (LTC1063CN8 # PBF)
19 LTC1064-7 Низкий уровень шума, 8-й порядок, постоянная групповая задержка 8 1 Lowpass Бесселя, линейная фаза 100k 38 Да Односторонний 20 10,80 $ (LTC1064-7CN # PBF)
20 LTC1064-4MJ Малошумный, эллиптический 8-го порядка, центральная частота до 100 кГц 8 1 Lowpass Lowpass Эллиптический 100k Да Односторонний 20 —
21 LTC1064-4 Малошумящий, эллиптический 8-го порядка, центральная частота до 100 кГц 8 Lowpass Эллиптический 100k Да Односторонний 20 $ 13.70 (LTC1064-4CN # PBF)
22 LTC1064-3 Малошумящий фильтр нижних частот Бесселя 8 1 Lowpass Bessel 100k Да Односторонний 10 9,60 $ (LTC1064-3CN # PBF)
23 LTC1064-2 Низкий уровень шума, 8-й порядок Баттерворта, центральная частота до 95 кГц 8 1 Lowpass Butterworth Butterworth 140k Да Односторонний 10 10 долларов США.80 (LTC1064-2CN # PBF)
24 LTC1064-1 Малошумный, эллиптический 8-го порядка, центральная частота до 50 кГц 8 1 Lowpass Elliptic 50k Односторонний 10 12,35 долл. США (LTC1064-1CN # PBF)
25 LTC1062 Отсутствие ошибки постоянного тока, шум в полосе низких частот, от 0 до 20 кГц 5 1 20k Да — 10 $ 3.20 (LTC1062CN8 # PBF)
Фазовые отношения в активных фильтрах
В приложениях, в которых используются фильтры, амплитудная характеристика обычно представляет больший интерес, чем фазовая характеристика. Но в некоторых приложениях важна фазовая характеристика фильтра. Примером этого может быть случай, когда фильтр является элементом контура управления технологическим процессом. Здесь вызывает беспокойство общий фазовый сдвиг, поскольку он может повлиять на стабильность контура. Может иметь значение, вызывает ли топология, использованная для построения фильтра, инверсию знака на некоторых частотах.
Может быть полезно визуализировать активный фильтр как два каскадных фильтра. Один из них — идеальный фильтр, воплощающий уравнение переноса; другой — усилитель, используемый для создания фильтра. Это показано на рисунке 1. Усилитель, используемый в замкнутом контуре отрицательной обратной связи, можно рассматривать как простой фильтр нижних частот с характеристикой первого порядка. Прирост падает с частотой выше определенной точки останова. Кроме того, в действительности будет дополнительный сдвиг фазы на 180 ° на всех частотах, если усилитель используется в инвертирующей конфигурации.
Рисунок 1. Фильтр как каскад двух передаточных функций. Разработка фильтра — это двухэтапный процесс.
Сначала выбирается характеристика фильтра; затем выбирается топология схемы для ее реализации. Под откликом фильтра понимается форма кривой затухания. Часто это один из классических ответов, таких как Баттерворт, Бессель или какая-то форма Чебышева. Хотя эти кривые отклика обычно выбираются для воздействия на амплитудный отклик, они также влияют на форму фазового отклика.Для целей сравнений в этом обсуждении амплитудный отклик будет проигнорирован и считаться практически постоянным.
Сложность фильтра обычно определяется «порядком» фильтра, который связан с количеством элементов накопления энергии (катушек индуктивности и конденсаторов). Порядок знаменателя передаточной функции фильтра определяет скорость затухания при увеличении частоты. Скорость спада асимптотического фильтра составляет –6 n дБ / октаву или –20 n дБ / декаду, где n — количество полюсов.Октава — это удвоение или уменьшение частоты вдвое; декада — десятикратное увеличение или уменьшение частоты. Таким образом, фильтр первого порядка (или однополюсный) имеет скорость спада –6 дБ / октаву или –20 дБ / декаду. Точно так же фильтр второго порядка (или 2-полюсный) имеет скорость спада –12 дБ / октаву или –40 дБ / декаду. Фильтры более высокого порядка обычно состоят из каскадных блоков первого и второго порядка. Конечно, можно построить секции третьего и даже четвертого порядков с одним активным каскадом, но чувствительность к значениям компонентов и влияние взаимодействий между компонентами на частотную характеристику резко возрастают, что делает этот выбор менее привлекательным. .
Уравнение переноса
Сначала мы взглянем на фазовую характеристику уравнений переноса. Фазовый сдвиг передаточной функции будет одинаковым для всех вариантов фильтра одного порядка. Для однополюсного низкочастотного случая передаточная функция имеет фазовый сдвиг Φ, задаваемый как
(1)
где:
ω = частота (радиан в секунду)
ω ₀ = центральная частота (радиан в секунду)
Частота в радианах в секунду равна 2π умноженной на частоту в Гц ( f ), поскольку в цикле 360 ° 2π радиан.Поскольку выражение является безразмерным соотношением, можно использовать либо f , либо ω.
Центральную частоту можно также называть частотой среза (частота, на которой амплитудная характеристика однополюсного фильтра нижних частот уменьшается на 3 дБ — примерно на 30%). Что касается фазы, центральная частота будет в точке, в которой фазовый сдвиг составляет 50% от ее конечного значения –90 ° (в данном случае). Рисунок 2, полулогарифмический график, оценивает уравнение 1 от двух декад ниже до двух десятилетий выше центральной частоты.Центральная частота (= 1) имеет фазовый сдвиг –45 °.
Рис. 2. Фазовая характеристика однополюсного фильтра нижних частот относительно центральной частоты (синфазная характеристика, левая ось; инвертированная характеристика, правая ось).
Аналогично, фазовая характеристика однополюсного фильтра верхних частот определяется выражением:
(2)
Рисунок 3 оценивает уравнение 2 от двух десятков ниже до двух десятков выше центральной частоты.Нормированная центральная частота (= 1) имеет фазовый сдвиг + 45 °.
Очевидно, что фазовые характеристики высоких и низких частот аналогичны, только смещены на 90 ° (π / 2 радиан).
Рисунок 3. Фазовая характеристика однополюсного фильтра верхних частот с центральной частотой 1 (синфазная характеристика, левая ось; инвертированная характеристика, правая ось).
Для случая нижних частот второго порядка передаточная функция имеет фазовый сдвиг, который может быть аппроксимирован
(3)
где α — коэффициент демпфирования фильтра.Он определит пик амплитудной характеристики и резкость фазового перехода. Это инверсия схемы Q , которая также определяет крутизну спада амплитуды или фазового сдвига. Баттерворт имеет α 1,414 ( Q 0,707), обеспечивая максимально ровный отклик. Более низкие значения α вызовут пик амплитудной характеристики.
Рис. 4. Фазовая характеристика 2-полюсного фильтра нижних частот с центральной частотой 1 (синфазная характеристика, левая ось; инвертированная характеристика, правая ось).
Рисунок 4 оценивает это уравнение (с использованием α = 1,414) от двух десятков ниже до двух десятков выше центральной частоты. Здесь центральная частота (= 1) показывает сдвиг фазы на –90 °. Фазовая характеристика 2-полюсного фильтра верхних частот может быть приблизительно равна
(4)
На рисунке 5 это уравнение оценивается (снова с использованием α = 1,414) от двух десятков ниже до двух десятков выше центральной частоты (= 1), что показывает фазовый сдвиг -90 °.
Рисунок 5. Фазовый отклик 2-полюсного фильтра верхних частот с центральной частотой 1 (синфазный отклик, левая ось; инвертированный отклик, правая ось).
Опять же, очевидно, что фазовые характеристики ВЧ и НЧ похожи, только смещены на 180 ° (π радиан).
В фильтрах более высокого порядка фазовая характеристика каждой дополнительной секции является кумулятивной, добавляя к сумме. Подробнее об этом мы поговорим позже. В соответствии с общепринятой практикой отображаемый фазовый сдвиг ограничен диапазоном ± 180 °.Например, –181 ° на самом деле то же самое, что + 179 °, 360 ° то же самое, что 0 °, и так далее.
Секции фильтра первого порядка
Секции первого порядка можно построить разными способами. Самый простой способ проиллюстрирован на рисунке 6, просто используя пассивную конфигурацию RC. Центральная частота этого фильтра 1 / (2πRC). Обычно за ним следует неинвертирующий буферный усилитель, чтобы предотвратить загрузку цепи, следующей за фильтром, которая может изменить отклик фильтра. Кроме того, буфер может обеспечить некоторую емкость привода.Фаза будет изменяться с частотой, как показано на рисунке 2, со сдвигом фазы на 45 ° на центральной частоте, точно так, как предсказано уравнением передачи, поскольку нет дополнительных компонентов для изменения фазового сдвига. Этот ответ будет называться синфазным сигналом первого порядка нижних частот . Буфер не будет добавлять фазового сдвига, пока его полоса пропускания значительно больше, чем у фильтра.
Рисунок 6. Пассивный фильтр нижних частот.
Помните, что частота на этих графиках — нормализованное , т.е.е., отношение к центральной частоте. Если, например, центральная частота равна 5 кГц, график предоставит фазовую характеристику для частот от 50 Гц до 500 кГц.
Альтернативная структура показана на рисунке 7. Эта схема, которая добавляет сопротивление параллельно для непрерывного разряда интегрирующего конденсатора, в основном представляет собой интегратор с потерями . Центральная частота снова равна 1 / (2πRC). Поскольку усилитель используется в режиме инвертирования, инверсия вносит дополнительный сдвиг фазы на 180 °.Изменение фазы от входа к выходу с частотой, включая инверсию фазы усилителя, показано на рисунке 2 (правая ось). Этот отклик будет называться инвертированным низкочастотным откликом первого порядка .
Рисунок 7. Активный однополюсный фильтр нижних частот, использующий операционный усилитель в инвертирующем режиме.
Показанные выше схемы, которые ослабляют высокие частоты и пропускают низкие частоты, являются фильтрами нижних частот. Подобные схемы также существуют для передачи высоких частот. Пассивная конфигурация фильтра верхних частот первого порядка показана на рисунке 8; и его изменение фазы с нормализованной частотой показано на рисунке 3 (синфазная характеристика).
Рисунок 8. Пассивный фильтр верхних частот.
График на Рисунке 3 (левая ось) будет обозначаться как в фазе первого порядка, высокочастотный отклик. Активная конфигурация фильтра верхних частот показана на рисунке 9. Изменение фазы в зависимости от частоты показано на рисунке 3 (правая ось). Это будет называться инвертированным, высокочастотным откликом первого порядка .
Рисунок 9. Активный однополюсный фильтр верхних частот.
Секции второго порядка
Существует множество схемных топологий для построения секций второго порядка.Здесь будут обсуждаться Sallen-Key , с множественной обратной связью , переменная состояния и его близкий родственник, биквад . Они самые распространенные и здесь актуальны. Более полная информация о различных топологиях приведена в Справочнике.
Sallen-Key, Фильтр низких частот
Широко используемая конфигурация Саллена-Ки, также известная как источник напряжения с регулируемым напряжением (VCVS), была впервые представлена в 1955 году Р.П. Саллен и Э. Л. Ки из Lincoln Labs Массачусетского технологического института (см. Ссылку 3). На рис. 10 представлена схема фильтра нижних частот второго порядка Саллена-Ки. Одна из причин популярности этой конфигурации заключается в том, что ее характеристики по существу не зависят от характеристик операционного усилителя, поскольку усилитель используется в основном как буфер. Поскольку операционный усилитель с повторителем не используется для усиления напряжения в базовой схеме Саллена-Ки, его требования к ширине полосы пропускания не имеют большого значения. Это означает, что для данной полосы пропускания операционного усилителя может быть разработан высокочастотный фильтр с использованием этого фиксированного (единичного) усиления по сравнению с другими топологиями, которые включают динамику усилителя в регулируемый контур обратной связи.Фаза сигнала поддерживается фильтром (неинвертирующая конфигурация). График зависимости фазового сдвига от частоты для фильтра нижних частот Саллена-Ки с Q = 0,707 (или коэффициентом затухания α = 1 / Q 1,414 — отклик Баттерворта) показан на рисунке 4 (левая ось). ). Чтобы упростить сравнение, это будет стандартная производительность для рассматриваемых здесь секций второго порядка.
Рисунок 10. 2-полюсный фильтр нижних частот Саллена-Ки.
The Sallen-Key, Фильтр высоких частот
Чтобы преобразовать низкочастотный фильтр Саллена-Ки в высокочастотный, конденсаторы и резисторы в цепи определения частоты меняются местами, как показано на рисунке 11, опять же с использованием буфера с единичным усилением.Фазовый сдвиг в зависимости от частоты показан на рисунке 5 (левая ось). Это синфазный, высокочастотный отклик второго порядка .
Рисунок 11. 2-полюсный фильтр верхних частот Саллена-Ки.
Коэффициент усиления в фильтрах Саллена-Ки можно увеличить, подключив резистивный аттенюатор в тракте обратной связи к инвертирующему входу операционного усилителя. Однако изменение усиления повлияет на уравнения для частотно-определяющей сети, и значения компонентов придется пересчитывать. Кроме того, динамика усилителя, скорее всего, потребует тщательного изучения, поскольку они вносят усиление в контур.
Множественная обратная связь (MFB), фильтр нижних частот
Фильтр множественной обратной связи представляет собой конфигурацию с одним усилителем, основанную на операционном усилителе в качестве интегратора (инвертирующая конфигурация) внутри контура обратной связи (см. Рисунок 12). Поэтому зависимость передаточной функции от параметров ОУ больше, чем в реализации Саллена-Ки. Трудно создать высокочастотные секции Q из-за ограниченного коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи на высоких частотах.Рекомендуется, чтобы коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи был не менее чем на 20 дБ (т.е. × 10) выше амплитудной характеристики на резонансной (или граничной) частоте, включая пик, вызванный Q фильтра. . Пик из-за Q будет иметь амплитуду A ₀:
(5)
где H — коэффициент усиления схемы.
Рис. 12. 2-полюсный фильтр нижних частот с множественной обратной связью (MFB).
Фильтр с множественной обратной связью инвертирует фазу сигнала. Это эквивалентно добавлению 180 ° к фазовому сдвигу самого фильтра. Изменение фазы в зависимости от частоты показано на рисунке 4 (правая ось). Это будет называться инвертированным, низкочастотным откликом второго порядка . Интересно, что разница между компонентами наивысшего и наименьшего значения для достижения заданного отклика больше в случае множественной обратной связи, чем в реализации Саллена-Ки.
Множественная обратная связь (MFB), фильтр высоких частот
Комментарии, сделанные по поводу случая НЧ с множественной обратной связью, применимы и к случаю ВЧ. Схема фильтра верхних частот с множественной обратной связью показана на рисунке 13, а его идеальный фазовый сдвиг в зависимости от частоты показан на рисунке 5 (правая ось). Это было обозначено как инвертированный, высокочастотный отклик второго порядка .
Рис. 13. 2-полюсный фильтр верхних частот с множественной обратной связью (MFB).
Этот тип фильтра может быть более трудным для стабильной реализации на высоких частотах, поскольку он основан на дифференциаторе, который, как и все схемы дифференциатора, поддерживает большее усиление с обратной связью на более высоких частотах и имеет тенденцию к усилению шума.
Переменная состояния
Реализация переменной состояния показана на рисунке 14. Эта конфигурация предлагает наиболее гибкую и точную реализацию за счет гораздо большего количества элементов схемы, включая три операционных усилителя. Все три основных параметра (усиление, Q и ω ₀) можно регулировать независимо; и одновременно доступны низкочастотный, высокочастотный и полосовой выходы. Коэффициент усиления фильтра также можно изменять независимо.
Поскольку все параметры фильтра переменной состояния можно настраивать независимо, разброс компонентов можно минимизировать.Кроме того, минимизированы несоответствия из-за температурных допусков и допусков компонентов. Операционные усилители, используемые в секциях интегратора, будут иметь те же ограничения на полосу усиления операционного усилителя, как описано в разделе с множественной обратной связью.
Рис. 14. 2-полюсный фильтр с переменным состоянием.
Фазовый сдвиг в зависимости от частоты секции нижних частот будет инвертированной характеристикой второго порядка (см. Рис. 4, правая ось), а секция верхних частот будет иметь инвертированную характеристику верхних частот (см. Рис. 5, правая ось). ).
Биквадратный (Biquad)
Близким родственником фильтра переменных состояния является биквад (см. Рисунок 15).Название этой схемы, впервые использованное Дж. Тоу в 1968 г. (см. Ссылку 6), а затем Л. К. Томасом в 1971 г. (см. Ссылку 5), основано на том факте, что передаточная функция является отношением двух квадратичных членов. Эта схема представляет собой несколько иную форму схемы с переменным состоянием. В этой конфигурации отдельный высокочастотный выход недоступен. Однако есть два выхода нижних частот, один синфазный (LOWPASS1) и один не синфазный (LOWPASS2).
Рисунок 15. Стандартный биквад, 2-полюсное сечение.
С добавлением четвертой секции усилителя могут быть реализованы фильтры верхних частот, режекторных фильтров (нижних частот, стандартных и верхних частот) и всех проходов.Схема биквада с высокочастотной секцией показана на рисунке 16.
Рисунок 16. 2-полюсный биквадратный фильтр (с высокочастотной секцией).
Фазовый сдвиг в зависимости от частоты секции LOWPASS1 будет синфазной характеристикой нижних частот второго порядка (см. Рисунок 4, левая ось). Секция LOWPASS2 будет иметь инвертированный ответ второго порядка (см. Рисунок 4, правая ось). Секция HIGHPASS имеет фазовый сдвиг, который инвертирует (см. Рисунок 5, правая ось).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы видели, что топология, используемая для построения фильтра, влияет на его фактическую фазовую характеристику.Это может быть одним из факторов, используемых при определении используемой топологии. В таблице 1 сравниваются диапазоны фазового сдвига для различных топологий фильтра нижних частот, обсуждаемых в этой статье.
Таблица 1. Диапазоны фазового сдвига топологии фильтра нижних частот.
НИЗКИЕ ФИЛЬТРЫ
ТОПОЛОГИЯ ФИЛЬТРА
ОДНА ФАЗА
ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗЫ
Однополюсный, пассивный
синфазно
от 0 ° до –90 °
Однополюсный, активный
перевернутый
от 180 ° до 90 °
2-полюсный, Sallen-Key
синфазно
от 0 ° до –180 °
2-полюсный, множественная обратная связь
перевернутый 180 ° до 0 °
2-полюсный, переменная состояния
перевернутый 180 ° до 0 °
2-полюсный, Biquad Lowpass1
синфазно
от 0 ° до –180 °
2-полюсный, Biquad Lowpass2
перевернутый 180 ° до 0 °
Точно так же различные топологии верхних частот сравниваются в таблице 2.
Таблица 2. Диапазоны фазового сдвига топологии фильтра верхних частот.
ВЫСОКОПРОХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ
ТОПОЛОГИЯ ФИЛЬТРА
ОДНА ФАЗА
ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗЫ
Однополюсный, пассивный
синфазно
от –90 ° до 0 °
Однополюсный, активный
перевернутый
от –90 ° до –180 °
2-полюсный, Sallen-Key
синфазно
180 ° до 0 °
2-полюсный, множественная обратная связь
перевернутый
от 0 ° до –180 °
2-полюсный, переменная состояния
перевернутый
от 0 ° до –180 °
2-полюсный, Biquad
перевернутый
от 0 ° до –180 °
Изменение фазового сдвига с Q
Все ответы второго порядка выше использовали Q 0.707. На рисунке 17 показано влияние на фазовую характеристику фильтра нижних частот (результаты для верхних частот аналогичны) при изменении Q. На графике нанесены фазовые характеристики для значений Q = 0,1, 0,5, 0,707, 1, 2, 5, 10 и 20. Стоит отметить, что фаза может начать изменяться значительно ниже частоты среза при низких значениях Q .
Рисунок 17. Изменение фазового сдвига при изменении Q.
Хотя это и не является предметом данной статьи, изменение амплитудной характеристики Q также может представлять интерес.На рисунке 18 показан амплитудный отклик секции второго порядка, когда Q изменяется в вышеуказанном диапазоне.
Пики, возникающие в секциях с высоким значением Q , могут представлять интерес, когда секции с высоким значением Q используются в многоступенчатых фильтрах. Хотя в теории нет никакой разницы, в каком порядке секции каскадированы, на практике обычно лучше размещать секции с низким уровнем Q перед разделами с высоким уровнем Q , чтобы пиковые значения не вызывали динамический диапазон. фильтра, который должен быть превышен.Хотя этот график предназначен для секций низких частот, отклики высоких частот покажут аналогичные пики.
Рисунок 18. Пик амплитуды в 2-полюсном фильтре при изменении добротности.
Фильтры высшего порядка
Передаточные функции могут быть каскадированы для формирования ответов более высокого порядка. Когда характеристики фильтра каскадированы, коэффициенты усиления (и ослабления) в дБ складываются, а фазовые углы складываются на любой частоте. Как отмечалось ранее, многополюсные фильтры обычно состоят из каскадных секций второго порядка, плюс дополнительная секция первого порядка для фильтров нечетных порядков.Две каскадные секции первого порядка не обеспечивают широкий диапазон Q , доступный с одной секцией второго порядка.
Каскад фильтров четвертого порядка передаточных функций показан на рисунке 19. Здесь мы видим, что фильтр состоит из двух секций второго порядка.
Рисунок 19. Каскадные передаточные функции для 4-полюсного фильтра.
На рисунке 20 показано влияние на фазовую характеристику построения фильтра четвертого порядка тремя различными способами. Первый построен с двумя секциями Баттерворта в Саллен-Ки (Словакия).Второй состоит из двух секций Баттерворта с множественной обратной связью (MFB). Третий состоит из одной секции SK и одной секции MFB. Но так же, как две каскадные секции первого порядка не образуют секцию второго порядка, две каскадные секции Баттерворта второго порядка не равны секции Баттерворта четвертого порядка. Первая секция фильтра Баттерворта имеет f ₀ из 1 и Q из 0,5412 (α = 1,8477). Вторая секция имеет f ₀ из 1 и Q из 1.3065 (α = 0,7654).
Как отмечалось ранее, секция SK не инвертируется, а секция MFB инвертируется. На рисунке 20 сравниваются фазовые сдвиги этих трех секций четвертого порядка. Фильтры SK и MFB имеют одинаковый отклик, потому что две инвертирующие секции дают синфазный отклик (–1 × –1 = +1). Фильтр, построенный со смешанными топологиями (SK и MFB), дает отклик, сдвинутый на 180 ° (+1 × –1 = –1).
Рисунок 20. Фазовая характеристика четвертого порядка с различными топологиями.
Обратите внимание, что общий фазовый сдвиг вдвое больше, чем у секции второго порядка (360 ° против180 °), как и ожидалось. Фильтры верхних частот будут иметь аналогичные фазовые характеристики, сдвинутые на 180 °.
Эта идея каскадирования может быть реализована для фильтров более высокого порядка, но что-либо более восьмого порядка сложно собрать на практике.
В будущих статьях будут рассмотрены фазовые соотношения в полосовых, режекторных (полосовых) и всепроходных фильтрах.
Рекомендации
Дарьянани, Г. Принципы синтеза и проектирования активных сетей .J. Wiley & Sons. 1976. ISBN: 0-471-19545-6.
Грэм, Дж., Г. Тоби и Л. Хелсман. Проектирование и применение операционных усилителей . Макгроу-Хилл. 1971. ISBN 07-064917-0.
Саллен, Р. П. и Э. Л. Кей. «Практический метод создания RC-активных фильтров». IRE Trans. Теория схем . 1955. Vol. КТ-2, стр. 74-85.
Томас, Л. К. «Биквад: Часть II — Многоцелевая активная система фильтрации». IEEE Trans. Схемы и системы .1971. Vol. CAS-18. С. 358-361.
Томас, Л. К. «Биквад: Часть I — Некоторые практические аспекты дизайна». IEEE Trans. Схемы и системы . 1971. Vol. CAS-18. С. 350-357.
Тоу, Дж. «Активные RC-фильтры — реализация в пространстве состояний». Proc. IEEE . 1968. Vol. 56. С. 1137-1139.
Ван Валкенбург, М. Э. Конструкция аналогового фильтра . Холт, Райнхарт и Уинстон. 1982.
Уильямс, А. Б. Справочник по проектированию электронных фильтров .Макгроу-Хилл. 1981.
Zumbahlen, H. «Аналоговые фильтры». Глава 5, в Jung, W., Справочник по применению операционных усилителей . Newnes-Elsevier (2006).
Zumbahlen, H. Базовая линейная конструкция . Гл. 8. Analog Devices Inc., 2006.
Что необходимо знать инженеру-электронику о пассивных фильтрах нижних частот — Блог о пассивных компонентах
Источник: статья In Compliance, статья
руководства по электронике
В электронике используется множество различных типов фильтров.Эти типы фильтров включают низкочастотный, высокочастотный, полосовой, полосовой (подавление полосы; режекторный) или всепроходный. Они либо активные, либо пассивные.
В области электромагнитной совместимости цель фильтра состоит в том, чтобы установить путь с низким импедансом для РЧ тока, чтобы вернуться к локальному источнику энергии, и / или обеспечить высокий импеданс, чтобы предотвратить прохождение РЧ-токов по кабелю. . Эти так называемые фильтры электромагнитных помех часто используются вместе с надлежащим экранированием для достижения электромагнитной совместимости (ЭМС) электрических / электронных продуктов.Несомненно, наиболее полезным типом фильтра, используемым в работе с ЭМС, является пассивный фильтр нижних частот.
Пассивные фильтры состоят из пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, и не имеют усилительных элементов (транзисторов, операционных усилителей и т. Д.), Поэтому не имеют усиления сигнала, поэтому их выходной уровень всегда меньше входного.
Фильтры названы так в соответствии с частотным диапазоном сигналов, которые они позволяют проходить через них, блокируя или «ослабляя» остальные.Наиболее часто используемые конструкции фильтров (см. Также рис. 1):
Фильтр нижних частот — фильтр нижних частот пропускает только низкочастотные сигналы от 0 Гц до частоты среза, точка ƒc проходит, блокируя любые более высокие.
Фильтр верхних частот — фильтр верхних частот пропускает только высокочастотные сигналы от его частоты среза, c и выше до бесконечности, блокируя любые более низкие.
Полосовой фильтр — полосовой фильтр пропускает сигналы, попадающие в определенную полосу частот между двумя точками, блокируя при этом как нижние, так и верхние частоты по обе стороны от этой полосы частот.
Полосовой стоп-фильтр — полосовой стоп-фильтр является обратным полосовым фильтрам и позволяет сигналам проходить как нижние, так и верхние частоты по обе стороны от полосы частот блокировки.
Простые пассивные фильтры первого порядка (1-го порядка) могут быть изготовлены путем последовательного соединения одного резистора и одного конденсатора через входной сигнал (V _IN) с выходом фильтра (V _OUT ), снятого с места соединения этих двух компонентов (см.рис.2. для примера фильтра нижних частот первого порядка).
В зависимости от того, каким образом мы подключаем резистор и конденсатор относительно выходного сигнала, определяется тип конструкции фильтра, в результате чего получается либо фильтр низких частот, либо фильтр высоких частот.
Поскольку функция любого фильтра состоит в том, чтобы позволить сигналам данной полосы частот проходить без изменений, ослабляя или ослабляя все остальные, которые не нужны, мы можем определить характеристики амплитудной характеристики идеального фильтра, используя идеальную кривую частотной характеристики четыре основных типа фильтров, как показано.
Кривые идеального отклика фильтра
Рис.1. кривые идеального отклика фильтра; Источник: Электронные учебные пособия
Фильтры можно разделить на два различных типа: активные фильтры и пассивные фильтры. Активные фильтры содержат усилительные устройства для увеличения мощности сигнала, а пассивные не содержат усилительных устройств для усиления сигнала. Поскольку в конструкции пассивного фильтра есть два пассивных компонента, выходной сигнал имеет меньшую амплитуду, чем соответствующий входной сигнал, поэтому пассивные RC-фильтры ослабляют сигнал и имеют коэффициент усиления менее единицы (единицы).
Фильтр нижних частот может представлять собой комбинацию емкости, индуктивности или сопротивления, предназначенную для получения высокого затухания выше указанной частоты и небольшого затухания или отсутствия затухания ниже этой частоты. Частота, с которой происходит переход, называется «граничной» или «угловой» частотой.
Простейшие фильтры нижних частот состоят из резистора и конденсатора, но более сложные фильтры нижних частот имеют комбинацию последовательных катушек индуктивности и параллельных конденсаторов. В этом уроке мы рассмотрим простейший тип — пассивный двухкомпонентный RC-фильтр нижних частот.
Пассивный фильтр нижних частот
Фильтр нижних частот — это схема, которая может быть разработана для модификации, изменения формы или отклонения всех нежелательных высоких частот электрического сигнала и приема или передачи только тех сигналов, которые необходимы разработчику схемы. Другими словами, они «отфильтровывают» нежелательные сигналы, и идеальный фильтр будет отделять и пропускать синусоидальные входные сигналы в зависимости от их частоты. В низкочастотных приложениях (до 100 кГц) пассивные фильтры обычно строятся с использованием простых RC-цепей (резистор-конденсатор), а более высокочастотные фильтры (выше 100 кГц) обычно изготавливаются из компонентов RLC (резистор-индуктор-конденсатор).
Рис.2. Схема RLC фильтра нижних частот первого порядка, источник кредита: wikipedia
RC фильтр низких частот
Фильтр нижних частот — это фильтр, который позволяет сигналам с частотой ниже определенной частоты среза проходить через него и подавляет все сигналы с частотами за пределами частоты среза. Самый основной тип фильтра нижних частот называется RC-фильтром или фильтром L-типа из-за его формы, с резистивным элементом в сигнальной линии и конденсатором, размещенным от линии к шасси, эти два элемента схемы образуют форму перевернутого L.
В RC-фильтре нижних частот частота среза возникает при резонансе, где емкостное реактивное сопротивление (Xc) равно сопротивлению (Xc = 1 / 2πfC или 1 / wC, w = 2πf). Иногда резистор не требуется, и только один конденсатор помещают поперек линии на землю без опорного резистора, установленного может быть все, что требуется, чтобы подавить любой нежелательный шум. Устройство, которое представляет схему с высоким импедансом переменного тока и в то же время не влияет на качество сигнала, может использоваться в ситуациях, когда недопустимо падение напряжения на последовательном резисторе.Это устройство называется ферритовой бусиной. Помимо ограничения частоты, ферриты также могут легко насыщаться, когда в цепи присутствует слишком большой постоянный ток. Ферриты неэффективны, если они насыщены, и если постоянный ток слишком велик, использование феррита в качестве элемента в ФНЧ может быть неприемлемым. Кроме того, в зависимости от того, насколько высок импеданс источника или нагрузки, требующей фильтрации, ферриты могут не работать, потому что они считаются низкоомными и не будут работать, если импеданс цепи выше, чем их импеданс.
Базовые топологии фильтров
Помимо пассивного фильтра L-типа существует еще пара других базовых конфигураций фильтра. Эти многоэлементные фильтры полезны в ситуациях, когда задействованный диапазон частот слишком велик и невозможно полностью ослабить однокомпонентный фильтр или сигнал слишком высок по амплитуде и один фильтрующий элемент не обеспечивает достаточного ослабления. Добавление второй реактивной составляющей увеличит спад до 12 дБ / октаву или 40 дБ / декаду.Эти типы фильтров называются по-разному, например, двухполюсные, двухступенчатые, двухэлементные фильтры или фильтры второго порядка. Фильтры с тремя реактивными компонентами обеспечат ослабление 18 дБ / октаву или 60 дБ / декаду. Четыре фильтра реактивных компонентов обеспечат ослабление на 24 дБ / октаву или 80 дБ / декаду и так далее.
Кроме того, используются фильтры различной формы в зависимости от импеданса источника и нагрузки цепи, требующей фильтрации. Эти различные типы используются для рассогласования импеданса между входным и выходным сопротивлениями источника схемы и нагрузки, а также входными и выходными сопротивлениями фильтров.Как и фильтр L-типа, эти два других типа названы в честь их визуальных форм на принципиальных схемах. Первый — это π-фильтр, а второй — Т-фильтр нижних частот.
Π Фильтр
Фильтр нижних частот π выглядит как греческая буква π. В нем есть конденсатор из линии, которая должна быть отфильтрована для возврата, последовательно включенный элемент (резистор, катушка индуктивности или феррит), а затем еще один конденсатор из линии, который должен быть отфильтрован для возврата.
T Фильтр
Фильтр нижних частот T выглядит как буква T.Он имеет внутрисхемный элемент (резистор, катушку индуктивности или феррит), установленный на линии, подлежащей фильтрации, линию с установленным конденсатором для возврата, а затем еще один внутрисхемный элемент (резистор, индуктор или феррит).
Несоответствие импеданса
Как было сказано ранее, при выборе правильной конфигурации фильтра (L, π или T) необходимо учитывать полное сопротивление как источника, так и нагрузки. Если вы пытаетесь установить в цепь фильтр нижних частот, чтобы подавить нежелательные излучения и определить, что это не решает проблему, обязательно проверьте наличие несоответствия импеданса.Последовательный компонент с высоким импедансом должен сталкиваться с низким импедансом (то есть конденсатором), и наоборот. Вы можете спросить себя: «Что считается низким импедансом, а что — высоким?» Как правило, импедансы менее 100 Ом считаются низкими, а импедансы более 100 Ом — высокими.
Выбор частоты среза (fco)
Важно также гарантировать, что добавление импеданса фильтра к цепи, в свою очередь, не вызовет проблемы целостности сигнала.Чтобы этого не произошло, обязательно выберите частоту среза для фильтра, которая также не ослабляет намеченные сигналы, используемые в схеме. Чтобы предотвратить возникновение этой проблемы, старайтесь поддерживать как минимум 5-ю гармонику намеченного сигнала (идеально 10-я гармоника).
Шумовые токи в дифференциальном (DM) и синфазном (CM) режимах
Сигнальные токи
DM — это те противофазные токи, которые передают намеченные данные, тогда как сигнальные токи CM синфазны, не доставляют никаких ценных данных вообще.Хотя они намного ниже по амплитуде, чем токи DM, токи CM являются основными причинами нормативных проблем с испытаниями излучаемых и кондуктивных помех.
В идеальном мире сигналы DM перемещаются по одной стороне дорожки цепи, а равный и противоположный сигнал DM перемещается обратно по другой стороне дорожки. Чтобы предотвратить преобразование DM в CM, компоновка печатной платы должна быть идеальной и не должно быть разрывов цепи. Это обеспечивает полное подавление сигналов DM и отсутствие тока CM.
Если требуется подавление шума DM, то можно использовать конденсаторы на исходящей и обратной линиях и / или катушку индуктивности последовательно с отходящей или обратной линией. Это называется фильтрацией DM. Если установка DM-фильтра не решает проблему шума, тогда источником излучения может быть CM-шум.
Сигналы
CM — это сигналы, которые существуют как на исходящих, так и на обратных дорожках цепи. Поскольку они синфазны, они не отменяют друг друга, но в сумме достаточно существенно, чтобы вызвать проблемы с электромагнитными помехами.Поскольку шум CM присутствует между фазой и землей. CM-фильтрация часто включает размещение конденсаторов на каждой сигнальной линии относительно заземления. а иногда также использование в цепи катушки индуктивности CM. Любые катушки индуктивности CM, включенные в схему, воздействуют только на присутствующие сигналы CM, они не влияют на сигналы DM. Если установка фильтра CM не решает проблему шума, тогда источником излучения может быть шум DM.
Паразиты
При попытке использовать фильтр нижних частот для подавления электромагнитных помех необходимо также учитывать неидеальное поведение компонентов, составляющих фильтр.Фактические компоненты пассивного фильтра, такие как конденсатор, также содержат некоторую индуктивность, а индуктор содержит некоторую емкость. Эти паразитные элементы конденсаторов и катушек индуктивности ограничивают их полезную полосу пропускания. Например, реактивное сопротивление конденсатора уменьшается, пока не достигнет собственной резонансной частоты с увеличением частоты. Выше точки собственной резонансной частоты конденсатор становится индуктивным и действует как индуктор из-за паразитной индуктивности, обнаруженной в его металлических пластинах. Похожая ситуация происходит с индукторами.Эти паразитные эффекты сильнее проявляются в конденсаторах и катушках индуктивности с выводами, чем в конденсаторах с поверхностным монтажом (SMT), которые практически не имеют длины выводов.
Вопросы по планировке и размещению
Правильная компоновка и размещение могут стать решающим фактором при попытке эффективно использовать пассивные фильтры нижних частот для подавления электромагнитных помех. Длина дорожек, превышающая необходимую, увеличивает индуктивность и импеданс, которые снижают эффективность фильтра, подобно тому, как это происходит, как описано выше в отношении паразитов.Поэтому очень важно, чтобы соединения были короткими. Это означает размещение компонентов фильтра как можно ближе к фильтруемой цепи и не упускать из виду длину обратного сигнала. Размещение фильтра в каком-то неясном месте вдали от источника нежелательного сигнала не является идеальным в большинстве ситуаций.
В дополнение к сохранению коротких соединений, следите за трассой или прокладкой проводов, которая допускает слишком сильную емкостную и индуктивную связь с другим зашумленным сигналом или трассами. Чтобы предотвратить возникновение этой проблемы перекрестных помех, поместите компоненты фильтра прямо на входной разъем (ввод / вывод и входы питания).Размещение фильтра глубже в цепи или системе просто напрашивается на неприятности. Когда надлежащее разделение не поддерживается, секции ввода и вывода пропускаются, и фильтр больше не работает. Как и в случае с множеством проблем, возникающих при проектировании и устранении неисправностей ЭМС, не полагайтесь на землю как на конечный путь с нулевым сопротивлением и приемник шума. Намного лучше понять путь прохождения тока и сохранить небольшие площади контура.
Заключение
Фильтры нижних частот — наиболее широко используемый тип фильтров в работе с ЭМС.Существует несколько различных конфигураций на выбор в зависимости от нескольких факторов, включая частоту предполагаемых сигналов, полное сопротивление источника и нагрузки, а также источники синфазного или дифференциального шума, присутствующие в цепи. Факторы, которые делают фильтры нижних частот неэффективными, включают неидеальное поведение пассивных компонентов, паразитные элементы схемы, слишком большой постоянный ток, присутствующий в схемах, в которых используются ферриты, использование фильтра со слишком низкой частотой среза, что сильно ослабляет полезные сигналы. , а также плохая планировка и размещение.
Более подробную информацию о различных типах фильтров можно найти в Руководствах по электронике или в других источниках, перечисленных ниже.
Показанное изображение: частотная характеристика фильтра нижних частот 1-го порядка; Источник кредита: Учебники по электронике
Ссылки
Archambeault, Дизайн печатной платы для управления электромагнитными помехами в реальном мире, Kluwer Academic Publishers, 2002 г.
Френзель-младший, «Руководители систем электронных коммуникаций», четвертое издание, McGraw-Hill, 2016 г.
André & Wyatt, Руководство по устранению неполадок EMI для дизайнеров продукции, Scitech Publishing, 2014.
Montrose, EMC Made Simple, Разработка печатных плат и систем, Montrose Compliance Services, Inc., 2014
Армстронг, «Руководство по фильтрам ЭМС», Технология создания помех, 2017 г.
Монтроуз, Методы проектирования печатных плат для обеспечения соответствия требованиям электромагнитной совместимости — Справочник для дизайнеров, 2-е издание, 2000 г.
Конструкция LC-фильтра высоких и низких частот »Примечания по электронике
LC RF фильтры верхних и нижних частот обычно используются для ослабления нежелательных сигналов — основные концепции конструкции и схемы относительно легко понять.
Фильтры RF Включает:
Фильтры RF — основы Характеристики фильтра Основы проектирования ВЧ-фильтров Конструкция фильтра высоких и низких частот Постоянный k-фильтр Фильтр Баттерворта Фильтр Чебычева Фильтр Бесселя Эллиптический фильтр Кристаллический фильтр
Фильтры верхних и нижних частот широко используются в ВЧ схемах — также для ВЧ приложений они обычно основаны как на индукторах, так и на конденсаторах.
Эти LC-фильтры обеспечивают гораздо лучшую производительность, чем просто RC-фильтры, и, соответственно, они, как правило, используются для приложений RF.
Конструкция LC-фильтров как нижних, так и верхних частот может быть относительно простой. Однако при использовании табличного подхода с таблицами значений, масштабированных для конкретной частоты и импеданса, конструкция фильтра нижних частот обычно является отправной точкой, и она преобразуется, чтобы обеспечить эквивалентный фильтр верхних частот.
Методы проектирования фильтра нижних частот
При разработке ВЧ-фильтра верхних или нижних частот обычно отправной точкой является фильтр нижних частот.Если требуется фильтр верхних частот, конфигурация нижних частот преобразуется для обеспечения конструкции фильтра верхних частот.
После того, как базовая конструкция будет достигнута, можно будет реализовать конструкцию фильтра верхних частот путем простого преобразования значений для получения требуемых функциональных возможностей фильтра верхних частот.
Используя конструкцию фильтра нижних частот в качестве отправной точки для фильтров верхних частот, можно вдвое сократить количество таблиц, необходимых для проектирования любого заданного уровня производительности. Переход от конструкции фильтра нижних частот к конструкции фильтра верхних частот относительно прост и сокращает количество необходимых таблиц вдвое.
Фильтры высоких и низких частот
Во многих отношениях фильтры нижних и верхних частот противоположны друг другу. Фильтр нижних частот пропускает сигналы ниже частоты среза и не ослабляет заметно сигнал в полосе пропускания, как показано.
Общая характеристика фильтра нижних частот
Для обеспечения характеристики фильтра нижних частот фильтр обычно имеет последовательные катушки индуктивности и параллельные конденсаторы. Секция Pi (Π) будет выглядеть так, как на диаграмме ниже.
Стандартный 3-полюсный ЖК-фильтр низких частот
Фильтр высоких частот, наоборот, пропускает сигналы выше частоты среза и ослабляет те, что ниже, как показано.
Общий отклик фильтра нижних частот
Для получения ответа фильтра нижних частот дроссели и конденсаторы заменяются от фильтра нижних частот, чтобы сформировать фильтр верхних частот. Соответственно, имеется последовательный конденсатор и две катушки индуктивности от линии к земле.
Типовой 3-полюсный ЖК-фильтр верхних частот ВЧ
Ввиду сходства конструкция и характеристики взаимосвязаны. Соответственно, было возможно только сгенерировать таблицу значений для фильтров нижних частот, а затем преобразовать их для
Основы проектирования фильтров высоких частот
Хотя существуют программы, позволяющие разработать схему фильтра высоких частот, часто может потребоваться более ручной метод.Типичный подход, который используется, — разработать фильтр нижних частот, а затем преобразовать его в конструкцию фильтра верхних частот.
При выборе основных требований к конструкции фильтра верхних частот такие элементы, как внутриполосная пульсация, останутся прежними.
Можно использовать те же кривые отклика, инвертируя ось f / fc. Это связано с тем, что характеристика фильтра верхних частот является обратной по частоте характеристикой фильтра нижних частот. Другими словами, в конструкции фильтра верхних частот необходимо измерять затухание на частотах в пропорции ниже частоты среза, а не выше частоты среза.Например, для конструкции фильтра верхних частот может потребоваться уровень затухания на 1/2 частоты среза, а не в 2 раза превышающей частоту.
Используя эту и любую другую информацию, можно найти ответ, удовлетворяющий требованиям. Следующим этапом является определение значений элементов схемы для нормализованной версии фильтра нижних частот.
Преобразование элемента цепи
После того, как элементы схемы были определены, следующим этапом в конструкции фильтра верхних частот является преобразование элементов схемы из версии фильтра нижних частот в один для конструкции фильтра верхних частот.
3-полюсный LC RF фильтр нижних частот с примерными значениями
Чтобы завершить проектирование фильтра верхних частот, значения элемента легко определяются путем замены каждого фильтрующего элемента элементом противоположного типа, то есть замены конденсатора индуктором и индуктора конденсатор. Емкость конденсатора равна обратной величине индуктивности, и наоборот, то есть Ln = 1 / Cn и Cm = 1 / Lm.
3-полюсный LC RF фильтр верхних частот с примерными значениями
Значения в приведенном выше примере являются чисто вымышленными и используются только в целях объяснения.
Видно, что довольно легко создать фильтр высоких частот из конструкции фильтра низких частот. Поскольку преобразование настолько простое, это означает, что требуется только один набор данных. Обычно это то, что требуется для фильтра нижних частот.
Другие важные темы по радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частот Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы RF фильтры RF циркулятор Типы радиоприемников Радио Superhet Избирательность приемника Чувствительность приемника Обработка сильного сигнала приемника Динамический диапазон приемника
Вернуться в меню тем Радио.

Низкочастотный фильтр для сабвуфера

Фильтр низкой частоты для сабвуфера

Похожие статьи

Кроссовер акустический для колонок своими руками: схемы

Кроссовер акустический — схемы для аудио колонок и сабвуфера своими руками

Зачем нужен кроссовер акустический в звуковой системе

Подключение кроссовера к колонке

Какие бывают типы кроссоверов

Акустические фильтры частот своими руками

Кроссовер акустический — последовательные шаги изготовления

Катушки индуктивности для фильтров аудио колонок

Изготовление печатной платы под аудио кроссовер

Монтаж акустических проводов

низкой и высокой частоты, полосовые пропускающие. Примеры построения и расчёта. — Студопедия

Фильтр (электроника) — Википедия

Типы фильтров

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

Фильтры на сосредоточенных элементах

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

Электромеханические фильтры

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Принцип работы активных аналоговых фильтров

Применение

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Фильтр (электроника) — Википедия

Типы фильтров

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

Фильтры на сосредоточенных элементах

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

Электромеханические фильтры

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Принцип работы активных аналоговых фильтров

Применение

Разница между фильтром высоких и низких частот (со сравнительной таблицей)

Таблица сравнения

Определение

Фильтр высоких частот

Фильтр низких частот

Объясните различные типы фильтров нижних частот

Фильтры нижних частот

Цепь фильтра нижних частот R-C

Частотная характеристика фильтра низких частот

Цепь фильтра нижних частот R-L

Перевернутый контур фильтра L-типа

Цепь фильтра Т-типа

Схема фильтра π-типа

Фильтры нижних частот | Analog Devices

Фазовые отношения в активных фильтрах

Уравнение переноса

Секции фильтра первого порядка

Секции второго порядка

Sallen-Key, Фильтр низких частот

The Sallen-Key, Фильтр высоких частот

Множественная обратная связь (MFB), фильтр нижних частот

Множественная обратная связь (MFB), фильтр высоких частот

Переменная состояния

Биквадратный (Biquad)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изменение фазового сдвига с Q

Фильтры высшего порядка

Рекомендации

Что необходимо знать инженеру-электронику о пассивных фильтрах нижних частот — Блог о пассивных компонентах

Конструкция LC-фильтра высоких и низких частот »Примечания по электронике

Методы проектирования фильтра нижних частот

Фильтры высоких и низких частот

Основы проектирования фильтров высоких частот

Преобразование элемента цепи

Author: alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ