fon2

Активный фильтр НЧ.

Электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он пропускает сигналы определенных частот и задерживает другие сигналы.
Они классифицируются на фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие и полосно-заграждающие. Также они подразделяются на пассивные и активные.
Пассивные фильтры представляют собой устройства, которые реализованы на основе резисторов, конденсатoров и катушек индуктивности, т.е. на основе пассивных компонентов. На НЧ массогабаритные характеристики катушек индуктивности становятся неудовлетворительными и имеют значительное отклонение рабочих характеристик от идеальных.
В активных фильтрах, как правило, отсутствуют катушки индуктивности. В них 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, АD797. ФНЧ представляет собой электрическую схему, которая пропускает сигналы НЧ, а ВЧ задерживает.
Существует несколько типов ФНЧ: Баттерворта, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические.
Деление на эти четыре класса производится на основе амплитуднo-частотной характеристики (АЧХ), которая описана математическими выражениями, предложенными Баттервортом, Чебышевым, Кауэром.
Полосы частот, в которых сигналы проходят, называют полосами пропускания. Диапазон частот, в которых сигналы подавляются, образуют полосы задерживания. У идеального ФНЧ полоса пропускания находится в диапазоне 0 < f < fс и полоса задерживания f > fc. Частота fс между двумя этими полосами называется частотой среза. На практике полосы пропускания и задерживания четко не разграничены, поэтому они должны быть формально определены.
Для ФНЧ в качестве полосы пропускания выбирается диапазон, где значение АЧХ превышает некоторое заданное число. Это число услoвились 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 АЧХ 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 нем,тем больше трудоемкости в его изготовлении 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 то, каким математическим выражением описывается его АЧХ. Не прибегая к математическим выражениям, укажем, что лучшими характеристиками обладает эллиптический (Кауэра) фильтр, затем Чебышева и последнее место в этом ряду - 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 ФНЧ с частотой среза 3 кГц, схема которого приведена на рис.1. Он широко применяется в технике связи для использования в технике прямого преобразования.
filtr NCH1 Для изготовления катушки индуктивности рекомендуется использовать ферритовое кольцо из материала 2000НН типоразмера К16х8х4. Для получения заданной индуктивности необходимо 300 витков эмалированнoго провода.
Намотка такой катушки довольно трудоемкое занятие. Амплитуднo-частотная характеристика этого фильтра приведена на рис.2.
filtr NCH2 Как видно из рисунка, крутизна спада АЧХ невелика, а именно: 12 дБ/октава. Выше частоты среза (3 кГц) характеристика монотонно спадает. Там, где нет полезного сигнала, есть шум. То есть выше З кГц на выход проходит шум - ослабленный, но все же проходит. На 6 кГц шум ослабляется всего в 4 раза по отношению к полезному сигналу.

Схема активного фильтра НЧ с частотой среза 3,0 кГц приведена на рис.3.
filtr NCH3 Это активный 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 АЧХ активного фильтра в полосе задерживания включен второй каскад полосно-зaграждающего (режекторного) фильтра на операционном усилителе DА2.
В цепь обратной связи неинвертирующего усилителя включен двойной Т-мост. Частотозадающими элементами активного ФНЧ являются резисторы R5, R6, R7 и конденсаторы С5, С6, С7. Частота режекции выбрана 6,0 кГц, что привело к затуханию на ней более чем 60,0 дБ. (рис. 4).
При более высокочастотном сигнале затухание не менее 48,0 дБ. Это значит, что шум ослабляется по отношению к полезному сигналу в 256 раз. При изготовлении активного фильтра необходимо применять пассивные компоненты с допуском 5%.

filtr NCH4

Активный фильтр НЧ можно применить в микрофонном усилителе-ограничителе. Схема его приведена на рис.5.
filtr NCH5 В общем, сам усилитель выполнен на операционном усилителе DA1. За ним следует первый ограничитель на диодах VD1, VD2. Следующий - фазосдвигающий каскад на транзисторе VТ1 и элементах Сб, R8.
Второй ограничитель на диодах VDЗ, VD4 срезает выбросы. К выходу подключается активный фильтр, рассмотренный ранее. Он не пропускает на выход гармоники сигнала, возникающие в процессе ограничения. На выходе практически "чистая" синусоида.
При отсутствии малошумящих операционных усилителей в активных фильтрах можно применить и широко распространенные, например, К140УД6, К140УД7, К140УД8. В этом случае возрастет уровень шумов.

Белоусов О.

РЛ 2011/01

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet