Aktivní filtr - Active filter

Nesmí být zaměňována s Filtr činného výkonu.
Příklad aktivního filtru horního pásma Sallen – klíčová topologie. Operační zesilovač se používá jako vyrovnávací zesilovač.

An aktivní filtr je typ analogový obvod provádějící elektronický filtr použitím aktivní komponenty, typicky zesilovač. Zesilovače obsažené v designu filtru lze použít ke zlepšení nákladů, výkonu a předvídatelnosti filtru.[1]

Zesilovač zabraňuje impedanci zátěže následujícího stupně ovlivnit vlastnosti filtru. Aktivní filtr může mít složité póly a nuly bez použití objemného nebo nákladného induktoru. Tvar odezvy, Q (faktor kvality ) a naladěný kmitočet lze často nastavit pomocí levných proměnných rezistorů.[2] V některých aktivních filtračních obvodech lze jeden parametr upravit bez ovlivnění ostatních.[1]

Typy

Filtr KROHN-HITE model 3500 z roku 1974.

Používání aktivních prvků má určitá omezení. Základní rovnice návrhu filtru zanedbávají konečnost šířka pásma zesilovačů. Dostupná aktivní zařízení mají omezenou šířku pásma, takže jsou při vysokých frekvencích často nepraktická. Zesilovače spotřebovávají energii a dodávají do systému hluk. Určité topologie obvodů mohou být nepraktické, pokud není zajištěna žádná stejnosměrná cesta pro zkreslený proud k prvkům zesilovače. Schopnost manipulace s výkonem je omezena stupni zesilovače.[3]

Konfigurace aktivních filtračních obvodů (topologie elektronického filtru ) zahrnout:

Aktivní filtry mohou implementovat stejné přenosové funkce jako pasivní filtry. Běžné přenosové funkce jsou:

Jsou možné kombinace, například zářez a horní propust (v a dunivý filtr kde většina urážejícího rachotu pochází z určité frekvence). Dalším příkladem je eliptický filtr.

Návrh aktivních filtrů

Viz také: Návrh filtru

K navrhování filtrů je třeba stanovit specifikace, které je třeba stanovit:

  • Rozsah požadovaných frekvencí (propustné pásmo) spolu s tvarem frekvenční odezvy. To označuje rozmanitost filtru (viz výše) a střední nebo rohové frekvence.
  • Vstup a výstup impedance požadavky. Ty omezují dostupné topologie obvodů; například většina, ale ne všechny aktivní topologie filtrů poskytují výstup s vyrovnávací pamětí (s nízkou impedancí). Pamatujte však, že vnitřní výstupní impedance operační zesilovače, je-li použit, může výrazně stoupat při vysokých frekvencích a snižovat útlum oproti očekávanému. Uvědomte si, že některé topologie horního filtru představují vstup s téměř zkratem na vysoké frekvence.
  • Dynamický rozsah aktivních prvků. Zesilovač by neměl saturovat (běžet do napájecích lišt) při očekávaných vstupních signálech, ani by neměl být provozován při tak nízkých amplitudách, aby dominoval šum.
  • Míra, do jaké by měly být nežádoucí signály odmítnuty.
    • V případě úzkopásmových pásmových filtrů určuje Q šířku pásma -3 dB, ale také stupeň odmítnutí frekvencí vzdálených od střední frekvence; pokud jsou tyto dva požadavky v rozporu, pak a střídavé ladění Může být zapotřebí pásmový filtr.
    • U zářezových filtrů určuje přesnost komponent stupeň, do kterého musí být odmítnuty nežádoucí signály při zářezové frekvenci, ale ne Q, které je řízeno požadovanou strmostí zářezu, tj. Šířka pásma kolem zářezu před zeslabením se zmenší.
    • Pro horní a dolní propust (stejně jako pásmové filtry daleko od střední frekvence) může požadované odmítnutí určit potřebný sklon útlumu, a tedy „pořadí“ filtru. Vícepólový filtr druhého řádu poskytuje konečný sklon asi 12 dB na oktávu (40 dB / dekádu), ale sklon v blízkosti rohové frekvence je mnohem menší, což někdy vyžaduje přidání zářezu k filtru.
  • Povolené „zvlnění“ (odchylka od ploché odezvy v decibelech) v propustném pásmu vysokofrekvenčních a dolnofrekvenčních filtrů spolu s tvarem křivky frekvenční odezvy poblíž rohové frekvence určuje poměr tlumení nebo tlumicí faktor ( = 1 / (2Q)). To také ovlivňuje fázovou odezvu a časovou odezvu na a čtvercová vlna vstup. Několik důležitých tvarů odezvy (poměry tlumení) má známá jména:
    • Čebyševův filtr - vrchol / zvlnění v pásmu před zatáčkou; Q> 0,7071 pro filtry 2. řádu.
    • Butterworthův filtr - maximálně plochá amplitudová odezva; Q = 0,7071 pro filtry 2. řádu
    • Filtr Legendre – Papoulis - vymění nějakou plochost v pásmu, i když stále monotóní, pro prudší pokles
    • Filtr Linkwitz – Riley - žádoucí vlastnosti pro audio crossover aplikace, nejrychlejší doba náběhu bez překročení; Q = 0,5 (kriticky tlumeno )
    • Paynter nebo přechodný Thompson-Butterworth nebo „kompromisní“ filtr - rychlejší pokles než Bessel; Q = 0,639 pro filtry 2. řádu
    • Besselův filtr - maximálně ploché skupinové zpoždění; Q = 0,577 pro filtry 2. řádu. Poskytuje dobrou lineární fázi.
    • Eliptický filtr nebo Cauerův filtr - přidejte zářez (nebo „nulu“) těsně mimo propustné pásmo, abyste v této oblasti získali mnohem větší sklon než kombinace řádu a poměru tlumení bez zářez. Výstup je podobný ideálnímu filtru (tj. Dobrá plochá odezva propustného i zastavovacího pásma).

Srovnání s pasivními filtry

Aktivní filtr může mít získat, což zvyšuje výkon dostupný v signálu ve srovnání se vstupem. Pasivní filtry odvádějí energii ze signálu a nemohou mít čistý energetický zisk. U některých rozsahů frekvencí, například při zvukových frekvencích a níže, může aktivní filtr realizovat dané přenosová funkce bez použití induktory, což jsou relativně velké a nákladné komponenty ve srovnání s rezistory a kondenzátory a jejichž výroba je dražší s požadovanou vysokou kvalitou a přesnými hodnotami. Tato výhoda nemusí být tak důležitá pro aktivní filtry zcela integrované v a čip protože dostupné kondenzátory mají relativně nízké hodnoty, a proto vyžadují vysoce hodnotné rezistory, které zabírají plochu integrovaného obvodu. Aktivní filtry mají dobrou izolaci mezi fázemi a mohou poskytovat vysokou vstupní impedanci a nízkou výstupní impedanci; díky tomu jsou jejich charakteristiky nezávislé na zdroji a impedancích zátěže. V případě potřeby lze pro zlepšení vlastností kaskádovat více stupňů. Naproti tomu návrh vícestupňových pasivních filtrů musí brát v úvahu frekvenční zatížení předchozího stupně v závislosti na frekvenci. Je možné nastavit aktivní filtry v širokém rozsahu ve srovnání s pasivními filtry. Vzhledem k tomu, že se induktory nepoužívají, mohou být filtry vyrobeny ve velmi kompaktní velikosti a neprodukují magnetická pole, která by mohla být přítomna, ani na ně interagovat.

Ve srovnání s aktivními filtry nevyžadují pasivní filtry žádné další zdroje napájení. Zesilovací zařízení aktivního filtru musí poskytovat předvídatelný zisk a výkon v celém zpracovávaném frekvenčním rozsahu; the Zisk - produkt šířky pásma zesilovače omezí maximální frekvenci, kterou lze použít.[5][6]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Don Lancaster, Kuchařka s aktivním filtrem, Howard W. Sams and Co., 1975 ISBN  0-672-21168-8 stránky 8-10
  2. ^ „Op-amp Band Pass Filter“. Základní výukové programy pro elektroniku. 2013-08-14. Citováno 2018-12-26.
  3. ^ Muhammad H. Rashid, Mikroelektronické obvody: analýza a návrh„Cengage Learning, 2010 ISBN  0-495-66772-2, strana 804
  4. ^ „Filtry zastavení pásma se nazývají Odmítnout filtry“. Základní výukové programy pro elektroniku. 2015-10-20. Citováno 2018-12-26.
  5. ^ Don Lancaster, Kuchařka s aktivním filtrem, Elsevier Science, 1996 ISBN  9780750629867
  6. ^ „Základní úvod do filtrů - aktivní, pasivní a přepínatelné analogové a smíšené signály SNOA224A - TI.com“ (PDF). www.ti.com. Citováno 2020-02-03.

externí odkazy