Электронный фильтр

Разделитель телевизионного сигнала, состоящий из фильтра верхних частот (слева) и фильтра нижних частот (справа). Антенна подключается к винтовым клеммам слева от центра.

Электронные фильтры представляют собой тип фильтра обработки сигналов в виде электрических схем. В этой статье рассматриваются фильтры, состоящие из сосредоточенных электронных компонентов, в отличие от фильтров с распределенными элементами . То есть с использованием компонентов и взаимосвязей, которые при анализе можно считать существующими в одной точке. Эти компоненты могут быть в отдельных корпусах или частью интегральной схемы .

Электронные фильтры удаляют нежелательные частотные компоненты из подаваемого сигнала, усиливают полезные или и то, и другое. Они могут быть:

пассивный или активный
аналоговый или цифровой
высокочастотный , низкочастотный , полосовой , полосовой (полосовой режектор; вырез) или всепроходной .
дискретное время (выборочное) или непрерывное время
линейный или нелинейный
бесконечная импульсная характеристика (тип IIR) или конечная импульсная характеристика (тип FIR)

Наиболее распространенными типами электронных фильтров являются линейные фильтры , независимо от других особенностей их конструкции. Подробную информацию об их конструкции и анализе см. в статье о линейных фильтрах.

История [ править ]

Самые старые формы электронных фильтров — это пассивные аналоговые линейные фильтры, в которых используются только резисторы и конденсаторы или резисторы и катушки индуктивности . Они известны как однополюсные фильтры RC и RL соответственно . Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные LC-фильтры обеспечивают больший контроль формы отклика, полосы пропускания и полос перехода . Первым из этих фильтров был фильтр с постоянной k , изобретенный Джорджем Кэмпбеллом в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла представлял собой лестничную сеть, основанную на линий передачи теории . Вместе с улучшенными фильтрами Отто Зобеля и других эти фильтры известны как фильтры параметров изображения . Важный шаг вперед был сделан Вильгельмом Кауэром , который основал область сетевого синтеза примерно во время Второй мировой войны . Теория Кауэра позволила построить фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.

Классификация по технологии [ править ]

Пассивные фильтры [ править ]

Пассивные реализации линейных фильтров основаны на комбинации резисторов (R), катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C). Эти типы под общим названием известны как пассивные фильтры , поскольку они не зависят от внешнего источника питания и не содержат активных компонентов, таких как транзисторы .

Индукторы блокируют высокочастотные сигналы и проводят низкочастотные сигналы, а конденсаторы делают обратное. Фильтр, в котором сигнал проходит через катушку индуктивности или в котором конденсатор обеспечивает путь к земле, обеспечивает меньшее затухание низкочастотных сигналов, чем высокочастотные сигналы, и, следовательно, является фильтром нижних частот . Если сигнал проходит через конденсатор или имеет путь к земле через катушку индуктивности, то фильтр обеспечивает меньшее затухание высокочастотных сигналов, чем низкочастотные сигналы, и, следовательно, является фильтром верхних частот . Резисторы сами по себе не обладают частотно-избирательными свойствами, но добавляются к катушкам индуктивности и конденсаторам для определения постоянных времени цепи и, следовательно, частот, на которые она реагирует.

Индуктивности и конденсаторы являются реактивными элементами фильтра. Количество элементов определяет порядок фильтра. В этом контексте настроенная LC-схема, используемая в полосовом или полосовом фильтре, считается одним элементом, даже если она состоит из двух компонентов.

На высоких частотах (выше примерно 100 МГц ) иногда катушки индуктивности состоят из одиночных петель или полос листового металла, а конденсаторы — из соседних полосок металла. Эти индуктивные или емкостные кусочки металла называются заглушками .

Типы отдельных элементов [ править ]

Простейшие пассивные фильтры, RC- и RL -фильтры, включают в себя только один реактивный элемент, за исключением гибридного LC-фильтра , который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенными в одном элементе. ^[1]

L фильтр [ править ]

L-фильтр состоит из двух реактивных элементов, последовательно и параллельно.

Т- и π-фильтры [ править ]

Трехэлементные фильтры могут иметь топологию «T» или «π», и в любой геометрии низкочастотные , высокочастотные , полосовые или полосно-заграждающие возможны характеристики. Компоненты могут быть выбраны симметричными или нет, в зависимости от требуемых частотных характеристик. Т-фильтр верхних частот, показанный на рисунке, имеет очень низкий импеданс на высоких частотах и очень высокий импеданс на низких частотах. Это означает, что его можно вставить в линию передачи, в результате чего высокие частоты будут передаваться, а низкие частоты отражаться. Аналогично, для проиллюстрированного π-фильтра нижних частот схема может быть подключена к линии передачи, передавая низкие частоты и отражая высокие частоты. Используя секции фильтра на основе m с правильными оконечными сопротивлениями, входное сопротивление может быть достаточно постоянным в полосе пропускания. ^[2]

Многоэлементные типы [ править ]

Многоэлементные фильтры обычно строятся в виде лестничной сети . Их можно рассматривать как продолжение конструкций фильтров L, T и π. Дополнительные элементы необходимы, когда желательно улучшить некоторые параметры фильтра, такие как подавление полосы задерживания или наклон перехода от полосы пропускания к полосе задерживания.

Активные фильтры [ править ]

Активные фильтры реализуются с использованием комбинации пассивных и активных (усилительных) компонентов и требуют внешнего источника питания. Операционные усилители часто используются в конструкциях активных фильтров. Они могут иметь высокую добротность и достигать резонанса без использования индукторов. Однако их верхний предел частоты ограничен полосой пропускания усилителей.

технологии фильтрации Другие

Существует множество технологий фильтрации, помимо электроники с сосредоточенными компонентами. К ним относятся цифровые фильтры , кристаллические фильтры , механические фильтры , фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), фильтры на основе тонкопленочного объемного акустического резонатора (TFBAR, FBAR), гранатовые фильтры и атомные фильтры (используются в атомных часах ).

Передаточная функция [ править ]

см. также Фильтр (обработка сигналов) для дальнейшего анализа.

Передаточная функция $H(s)$ фильтра - это отношение выходного сигнала $Y(s)$ к входному сигналу $X(s)$ как функция комплексной частоты $s$ :

H(s)={\frac {Y(s)}{X(s)}}

.

Передаточная функция всех линейных нестационарных фильтров, построенных из сосредоточенных компонентов (в отличие от распределенных компонентов, таких как линии передачи), будет отношением двух полиномов в $s$ , т.е. рациональная функция $\ s$ . Порядок передаточной функции будет представлять собой наибольшую степень $\ s$ встречается либо в числителе, либо в знаменателе.

Классификация по топологии [ править ]

Электронные фильтры можно классифицировать по технологии, используемой для их реализации.Фильтры, использующие пассивный фильтр и технологию активного фильтра, можно дополнительно классифицировать по конкретной топологии электронного фильтра, используемой для их реализации.

Любая передаточная функция фильтра может быть реализована в любой топологии электронного фильтра .

Некоторые распространенные топологии схем:

Топология Кауэра – пассивная
Топология Саллена – Ки – активная
Топология с множественной обратной связью – активная
Топология переменной состояния – активная
Биквадратичная топология – активная

Классификация по методологии проектирования [ править ]

Исторически проектирование линейных аналоговых фильтров развивалось посредством трех основных подходов. Самые старые конструкции представляют собой простые схемы, в которых основным критерием проектирования была добротность схемы. Это отражало применение фильтрации в радиоприемнике, поскольку Q была мерой частотной избирательности схемы настройки. С 1920-х годов фильтры начали разрабатываться с точки зрения изображения , главным образом исходя из требований телекоммуникаций. После Второй мировой войны доминирующей методологией стал сетевой синтез . Первоначально использовавшаяся высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений коэффициентов полинома, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным. ^[3]

Анализ прямой цепи [ править ]

Фильтры низкого порядка могут быть разработаны путем непосредственного применения основных законов схемы, таких как законы Кирхгофа, для получения передаточной функции. Такой анализ обычно проводится только для простых фильтров 1-го или 2-го порядка.

Анализ импеданса изображения

Этот подход анализирует секции фильтра с точки зрения нахождения фильтра в бесконечной цепочке одинаковых секций. Его преимущества заключаются в простоте подхода и возможности легкого распространения на более высокие порядки. Его недостаток заключается в том, что точность прогнозируемых откликов зависит от ограничений фильтра в импедансе изображения, что обычно не так. ^[4]

Сетевой синтез [ править ]

Подход к синтезу сети начинается с требуемой передаточной функции, а затем выражает ее как полиномиальное уравнение входного сопротивления фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются путем разложения этого многочлена в непрерывную или неполную дробь. В отличие от метода изображения, нет необходимости в схемах согласования импеданса на оконечных нагрузках, поскольку влияние нагрузочных резисторов учитывается в анализе с самого начала. ^[4]

Вот изображение, сравнивающее фильтры Баттерворта, Чебышева и эллиптические фильтры. Все фильтры на этой иллюстрации являются фильтрами нижних частот пятого порядка. Конкретная реализация – аналоговая или цифровая, пассивная или активная – не имеет значения; их выход будет одинаковым.

Как видно из изображения, эллиптические фильтры резче всех остальных, но они показывают рябь по всей полосе пропускания.

См. также [ править ]

Примечания и ссылки [ править ]

^ Джанхотов В., Гибридный LC-фильтр для силовых электронных приводов: теория и реализация , 2009.
^ Американская лига радиорелейной связи, Inc.: «Справочник ARRL, 1968», стр. 50.
^ Брэй, Дж. Инновации и революция в области коммуникаций , Институт инженеров-электриков.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Маттеи, Янг, Джонс. Микроволновые фильтры, схемы согласования импедансов и структуры связи. МакГроу-Хилл, 1964 г.

Зверев, Анатолий, И (1969). Справочник по синтезу фильтров . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-98680-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько названий: список авторов ( ссылка ) Каталог типов пассивных фильтров и значений компонентов. Библия практического проектирования электронных фильтров.
Уильямс, Артур Б; Тейлор, Фред Дж (1995). Справочник по проектированию электронных фильтров . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-070441-4 .

Внешние ссылки [ править ]

National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a), Замечания по применению описывающие теорию аналогового фильтра.
Основы электротехники и электроники - Подробное объяснение всех типов фильтров.
Фильтры BAW (на французском языке; PDF)
Некоторые интересные конфигурации и преобразования конструкции фильтров
Аналоговые фильтры для преобразования данных

[1] Джанхотов В., Гибридный LC-фильтр для силовых электронных приводов: теория и реализация , 2009.

[2] Американская лига радиорелейной связи, Inc.: «Справочник ARRL, 1968», стр. 50.

[3] Брэй, Дж. Инновации и революция в области коммуникаций , Институт инженеров-электриков.

[MYJ-4] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Маттеи, Янг, Джонс. Микроволновые фильтры, схемы согласования импедансов и структуры связи. МакГроу-Хилл, 1964 г.

[1]

[2]

[3]

[4]