Elektronický filtr - Electronic filter

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Březen 2013) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Rozdělovač televizního signálu skládající se z horního filtru (vlevo) a dolního filtru (vpravo). Anténa je připojena ke šroubovým svorkám vlevo od středu.

Elektronické filtry jsou typem filtr zpracování signálu ve formě elektrických obvodů. Tento článek popisuje ty filtry, které se skládají z soustředěný na rozdíl od elektronických součástek filtry s distribuovanými prvky. To znamená pomocí komponent a propojení, které lze při analýze považovat za existující v jednom bodě. Tyto komponenty mohou být v samostatných balíčcích nebo součástí integrovaný obvod.

Elektronické filtry odstraňují nežádoucí frekvenční složky z aplikovaného signálu, vylepšují požadované nebo obojí. Oni mohou být:

• pasivní nebo aktivní
• analogový nebo digitální
• horní propust, dolní propust, pásmový průchod, zastavení pásma (odmítnutí pásma; zářez), nebo all-pass.
• diskrétní čas (vzorkováno) nebo nepřetržitý čas
• lineární nebo nelineární
• nekonečná impulzní odezva (Typ IIR) nebo konečná impulzní odezva (Typ FIR)

Nejběžnější typy elektronických filtrů jsou lineární filtry, bez ohledu na další aspekty jejich designu. Podrobnosti o jejich konstrukci a analýze najdete v článku o lineárních filtrech.

Dějiny

Nejstaršími formami elektronických filtrů jsou pasivní analogové lineární filtry konstruované pouze za použití rezistory a kondenzátory nebo rezistory a induktory. Tito jsou známí jako RC a RL single-pól filtry. Tyto jednoduché filtry však mají velmi omezené použití. Vícepólové LC filtry poskytují větší kontrolu nad formou odezvy, šířkou pásma a přechodová pásma. První z těchto filtrů byl konstantní k filtr, vynalezl George Campbell v roce 1910. Campbellovým filtrem byla síť žebříků založená na přenosové vedení teorie. Spolu s vylepšenými filtry od Otto Zobel a další, tyto filtry jsou známé jako filtry parametrů obrazu. Učinil zásadní krok vpřed Wilhelm Cauer kdo založil obor syntéza sítě v době kolem druhá světová válka. Cauerova teorie dovolila konstruovat filtry, které přesně následovaly určitou předepsanou frekvenční funkci.

Klasifikace podle technologie

Pasivní filtry

Pasivní implementace lineárních filtrů jsou založeny na kombinacích rezistory (R), induktory (L) a kondenzátory (C). Tyto typy jsou souhrnně označovány jako pasivní filtry, protože nezávisí na externím zdroji napájení a neobsahují aktivní komponenty jako např tranzistory.

Induktory blokují vysokofrekvenční signály a vedou nízkofrekvenční signály kondenzátory proveďte naopak. Filtr, ve kterém signál prochází skrz induktor, nebo ve kterém kondenzátor poskytuje cestu k zemi, představuje méně útlum na nízkofrekvenční signály než vysokofrekvenční signály, a proto je a dolní propust. Pokud signál prochází kondenzátorem nebo má cestu k zemi přes induktor, pak filtr poskytuje menší útlum vysokofrekvenčním signálům než nízkofrekvenční signály, a proto je horní propust. Rezistory samy o sobě nemají žádné frekvenčně selektivní vlastnosti, ale přidávají se k induktorům a kondenzátorům k určení časové konstanty obvodu, a tedy i frekvence, na které reaguje.

Induktory a kondenzátory jsou reaktivní prvky filtru. Počet prvků určuje pořadí filtru. V této souvislosti an LC laděný obvod použití ve filtru pro pásmovou propust nebo pásmovou zádrž je považováno za jeden prvek, i když se skládá ze dvou komponent.

Při vysokých frekvencích (nad přibližně 100 megahertz ), někdy induktory sestávají z jednoduchých smyček nebo pásů z plechu a kondenzátory z přilehlých pásů z kovu. Tyto indukční nebo kapacitní kusy kovu se nazývají pahýly.

Typy jednotlivých prvků

Nízkoprůchodový elektronický filtr realizovaný pomocí RC obvod

Nejjednodušší pasivní filtry, RC a RL filtry, obsahují pouze jeden reaktivní prvek, kromě hybridní LC filtr který se vyznačuje indukčností a kapacitou integrovanou v jednom prvku.^[1]

L filtr

Filtr L se skládá ze dvou reaktivních prvků, jednoho v sérii a druhého paralelně.

Filtry T a π

Nízkoprůchodový π filtr

High-pass T filtr

Tříprvkové filtry mohou mít topologii 'T' nebo 'π' a v obou geometriích, a dolní propust, horní propust, pásmový průchod nebo zastavení pásma charakteristika je možná. Složky lze zvolit symetrické nebo ne, v závislosti na požadovaných frekvenčních charakteristikách. High-pass T filtr na obrázku má velmi nízkou impedanci při vysokých frekvencích a velmi vysokou impedanci při nízkých frekvencích. To znamená, že jej lze vložit do přenosového vedení, což má za následek průchod vysokých frekvencí a odražení nízkých frekvencí. Podobně pro ilustrovaný nízkoprůchodový π filtr může být obvod připojen k přenosové lince, přenášející nízké frekvence a odrážející vysoké frekvence. Použitím m odvozený filtr sekce se správnými zakončovacími impedancemi může být vstupní impedance v propustném pásmu přiměřeně konstantní.^[2]

Víceprvkové typy

Víceprvkové filtry jsou obvykle konstruovány jako a žebříková síť. Ty lze považovat za pokračování L, T a π návrhů filtrů. Je zapotřebí více prvků, pokud je žádoucí zlepšit některé parametry filtru, jako je odmítnutí zastavovacího pásma nebo sklon přechodu z propustného pásma do zastavovacího pásma.

Aktivní filtry

Aktivní filtry jsou implementovány pomocí kombinace pasivních a aktivních (zesilovacích) komponent a vyžadují vnější zdroj energie. Operační zesilovače se často používají v návrhech aktivních filtrů. Ty mohou mít vysokou Q faktor, a může dosáhnout rezonance bez použití tlumivek. Jejich horní mez frekvence je však omezena šířkou pásma zesilovačů.

Další filtrační technologie

Existuje mnoho filtračních technologií kromě elektroniky se soustředěnými součástmi. Tyto zahrnují digitální filtry, křišťálové filtry, mechanické filtry, povrchová akustická vlna (SAW) filtry, filtry sypkých akustických vln (BAW), granátové filtry a atomové filtry (používané v atomové hodiny ).

Funkce přenosu

viz také Filtr (zpracování signálu) pro další analýzu

The přenosová funkce ${ displaystyle H (s)}$ filtru je poměr výstupního signálu ${ displaystyle Y (y)}$ na hodnotu vstupního signálu ${ displaystyle X (s)}$ jako funkce komplexní frekvence ${ displaystyle s}$:

${ displaystyle H (s) = { frac {Y (s)} {X (s)}}}$.

Funkce přenosu všech lineárních časově invariantních filtrů, jsou-li konstruovány soustředěný komponenty (na rozdíl od distribuováno komponenty, jako jsou přenosové linky), bude poměr dvou polynomů v ${ displaystyle s}$, tj racionální funkce z ${ displaystyle s}$. Pořadí funkce přenosu bude nejvyšší výkon ${ displaystyle s}$ v čitateli nebo jmenovateli.

Klasifikace podle topologie

Elektronické filtry lze klasifikovat podle technologie použité k jejich implementaci. Filtry používají pasivní filtr a aktivní filtr technologie může být dále klasifikována podle konkrétního topologie elektronického filtru slouží k jejich provedení.

Jakákoli daná funkce přenosu filtru může být implementována v jakékoli topologie elektronického filtru.

Některé běžné topologie obvodů jsou:

• Cauerova topologie - pasivní
• Sallen – klíčová topologie - aktivní
• Vícenásobná topologie zpětné vazby - aktivní
• Stavová proměnná topologie - aktivní
• Bikvadratická topologie - aktivní

Klasifikace podle metodiky návrhu

Historicky se design lineárního analogového filtru vyvinul třemi hlavními přístupy. Nejstarší návrhy jsou jednoduché obvody, kde bylo hlavním kritériem návrhu Q faktor obvodu. To odráželo použití filtrování rádiového přijímače, protože Q bylo měřítkem frekvenční selektivity ladicího obvodu. Od dvacátých lét filtry začaly být navrhovány od obraz hledisko, většinou poháněno požadavky telekomunikací. Po druhá světová válka dominantní metodika byla syntéza sítě. Použitá vyšší matematika původně vyžadovala zveřejnění rozsáhlých tabulek hodnot polynomiálních koeficientů, ale moderní počítačové zdroje to učinily zbytečnými.^[3]

Přímá analýza obvodu

Filtry nízkého řádu lze navrhnout přímým použitím základních zákonů o obvodech, jako je Kirchhoffovy zákony k získání funkce přenosu. Tento druh analýzy se obvykle provádí pouze pro jednoduché filtry 1. nebo 2. řádu.

Frekvenční odezva filtru RL

Analýza impedance obrazu

Hlavní článek: Filtry kompozitních obrázků

Tento přístup analyzuje sekce filtru z hlediska filtru v nekonečném řetězci identických sekcí. Má výhody jednoduchosti přístupu a možnosti snadného rozšíření na vyšší objednávky. Má tu nevýhodu, že přesnost predikovaných odpovědí závisí na zakončení filtru v impedanci obrazu, což obvykle není tento případ.^[4]

Konstantní odezva k filtru s 5 prvky

Filtr sítě Zobel (konstantní R), 5 sekcí

Odezva filtru odvozená od m, m = 0,5, 2 prvky

Odezva filtru odvozená od m, m = 0,5, 5 prvků

Syntéza sítě

Hlavní článek: Filtry síťové syntézy

The syntéza sítě přístup začíná požadovanou přenosovou funkcí a poté ji vyjadřuje jako polynomiální rovnici vstupní impedance filtru. Skutečné hodnoty prvků filtru se získají pokračováním nebo částečným rozšířením tohoto polynomu. Na rozdíl od obrazové metody není na koncovkách potřeba sítí s impedančním přizpůsobením, protože účinky zakončovacích odporů jsou zahrnuty v analýze od začátku.^[4]

Zde je obrázek porovnávající filtry Butterworth, Čebyšev a eliptické filtry. Filtry na tomto obrázku jsou všechny dolní propusti pátého řádu. Konkrétní implementace - analogová nebo digitální, pasivní nebo aktivní - nezáleží na tom; jejich výstup by byl stejný.

Jak je zřejmé z obrázku, eliptické filtry jsou ostřejší než všechny ostatní, ale ukazují vlnky na celé šířce pásma.

Viz také

Poznámky a odkazy

externí odkazy

• National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a) poznámka k aplikaci popisující teorii analogového filtru
• Základy elektrotechniky a elektroniky - Podrobné vysvětlení všech typů filtrů
• BAW filtry (ve francouzštině; PDF)
• Některé zajímavé konfigurace a transformace filtrů
• Analogové filtry pro převod dat