Активный фильтр нижних частот

Рассказать в:

Электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он пропускает сигналы определенных частот и задерживает сигналы других частот. Частотно-избирательные фильтры классифицируют на фильтры нижних частот, верхних частот, полосно-пропускающие и полосно- заграждающие. Также фильтры подразделяются на пассивные и активные.

Пассивные фильтры представляют собой устройства, которые реализованы на основе резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, т.е. на основе пассивных компонентов. На низких частотах массогабаритные характеристики катушек индуктивности становятся неудовлетворительными и имеют значительное отклонение рабочих характеристик от идеальных. В активных фильтрах, как правило, отсутствуют катушки индуктивности. В таких фильтрах применяются резисторы конденсаторы и один или несколько активных элементов, таких как транзисторы, операционные усилители. Правда, надо отметить, что применение активных компонентов увеличивает шумы устройства. Однако в настоящее время разработаны операционные усилители с очень низким уровнем шума. К таким относится, например, AD797.

Фильтр нижних частот представляет собой электрическую схему, которая пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот. Существует несколько типов фильтров нижних частот: Баттерворта, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические. Деление на эти четыре класса производится на основе амплитудно-частотной характеристики, которая описана математическими выражениями, предложенными соответственно Баттервортом, Чебышевым, Кауэром.

Полосы частот, в которых сигналы проходят, называют полосами пропускания. Диапазон частот, в которых сигналы подавляются, образуют полосы задерживания.

У идеального фильтра нижних частот полоса пропускания находится в диапазоне 0<f<fc и полоса задерживания f>fc. Частота fc между двумя этими полосами называется частотой среза. На практике полосы пропускания и задерживания четко не разграничены, поэтому они должны быть формально определены. Для фильтра нижних частот в качестве полосы пропускания выбирается диапазон частот, где значение амплитудно-частотной характеристики превышает некоторое заданное число. Это число условились считать по уровню половинной мощности сигнала или уровню 0,707 максимального значения напряжения сигнала или в децибелах - 3,0. Из этих определений следует, что идеальная амплитудно-частотная характеристика прямоугольная, а реальная далека от идеальной и имеет переходную область, в которой характеристика постоянно спадает, переходя от полосы пропускания к полосе задерживания. Для того, чтобы переходная область была меньше, необходимо усложнять фильтр. Но при этом больше звеньев в фильтре, которыми определяется порядок фильтра, а спедоватепьно, трудоемкость изготовления и настройки. На практике всегда находят компромиссное решение, задавшись некоторыми исходными параметрами для получения результата, укладывающегося в разумный допуск.

Следует отметить, что кроме порядка фильтра на ширину переходной области влияет и каким математическим выражением описывается амплитудно-частотная характеристика фильтра, а именно: Баттерворта, Чебышева или Кауэра. Не прибегая к математическим выражениям, укажем, что лучшими характеристиками обладает эллиптический (Кауэра) фильтр, затем Чебышева и последнее место в этом ряду занимает фильтр Баттерворта.

Как следует из вышесказанного, чтобы спроектировать фильтр с характеристикой, приближенной к идеальной, необходимо использовать немалое количество реактивных элементов для пассивного фильтра. Для активного фильтра можно обойтись гораздо меньшими затратами.

Особенно это видно на примере низкочастотного фильтра с частотой среза 3 кГц, схема которого приведена на рис. 1. Этот фильтр широко применяется в технике связи, его рекомендует и Поляков В.Т. для использования в технике прямого преобразования.

Для изготовления катушки индуктивности рекомендуется использовать ферритовое кольцо из материала 2000НН типоразмера К16x8x4. Для получения заданной индуктивности необходимо300витков эмалированного провода. Намотка такой катушки - довольно трудоемкое занятие. Амплитудно-частотная характеристика этого фильтра приведена на рис. 2.

Как видно из рисунка, крутизна спада амплитудно-частотной характеристики невелика, а именно: 12 дБ/октава. Выше частоты среза (3 кГц) частотная характеристика монотонно спадает. Там, где нет полезного сигнала, есть шум. То есть выше частоты 3 кГц, где полезного сигнала нет, на выход фильтра проходит шум - ослабленный, но все же проходит. На частоте 6 кГц шум ослабляется всего в 4 раза по отношению к полезному сигналу.

Схема активного фильтра с частотой среза 3,0 кГц приведена на рис. 3. Это фильтр Чебышева с неравномерностью 3,0 дБ в полосе пропускания собран на операционном усилителе DA1 с многопетлевой отрицательной обратной связью. Обратная связь реализована резисторами R3, R4 и конденсаторами С2, СЗ, С4. Для увеличения крутизны амплитудно-частотной характеристики в полосе задерживания включен второй каскад полосно-заграждающего (режекторного) фильтра на операционном усилителе DA2. В цепь обратной связи неинвертирующего усилителя включен двойной Т-мост. Частотозадающими элементами являются резисторы R5, R6, R7 и конденсаторы С5, С6, С7. Частота режекции выбрана 6,0 кГц, что привело к затуханию более 60,0 дБ на этой частоте (рис. 4).

На более высоких частотах затухание не менее 48,0 дБ. Это значит, что шум ослабляется по отношению к полезному сигналу в 256 раз. При изготовлении фильтра необходимо применять пассивные компоненты с допуском 5%.

Активный фильтр можно применить в микрофонном усилителе-ограничителе. Схема его приведена на рис. 5. В общем, сам усилитель выполнен на операционном усилителе DA1. За усилителем следует первый ограничитель на диодах VD1, VD2. За ним следует фазосдвигающий каскад на транзисторе VT1 и элементах С6, R8. Второй ограничитель на диодах VD3, VD4 срезает выбросы. К выходу подключается активный фильтр, рассмотренный ранее. Этот фильтр не пропускает на выход гармоники сигнала, возникающие в процессе ограничения. На выходе практически "чистая" синусоида. При отсутствии малошумящих операционных усилителей можно применить и широко распространенные, например, К140УД6, К140УД7, К140УД8. В этом случае возрастет уровень шумов.