Типы активных фильтров и их применение
Частотные фильтры — важные элементы любых интерфейсов связи и почти половины электронной схемотехники. А активные их аналоги способны оперативно изменять важные характеристики сигнала и питающего напряжения. Активные фильтры — это быстро настраиваемые полосовые усилители, которые свободно передают сигнал, попадающий под требуемые полосы частот. При этом они почти полностью подавляют составляющую всех других полос. Таким образом, фильтр может извлекать желательные частоты из сигналов, которые содержат шум, также нежелательные или не подходящие по частотным параметрам колебания.
Содержание:
Основные типы активных фильтров
В современной электронике применяется несколько способов фильтрации сигнала активными компонентами. Вот некоторые из них:
- Фильтр Баттерворта — характеризуется максимально плоским графиком частотной характеристики во всей полосе пропускания. Применяется в качественных аудиосистемах и в приложениях для сбора данных. Таким образом, обеспечивается высокостабильный по амплитуде интерфейс.
- Фильтр Чебышева — имеет закругленный откат на предельных значениях графика. Содержит некоторый уровень волн в полосе пропускания. Часто применяется в беспроводных сетях, системах коррекции и обработки сигналов цифровых данных.
- Фильтр Бесселя — обеспечивает почти линейный частотный график, который имеет небольшую форму фильтрованной волны. Обеспечивает более медленный откат на краях диапазона по сравнению с обоими выше рассмотренными фильтрами. Подходит для систем, где имеет решающее значение поддержание фазовой линейности, например, сеть управления автотранспортом, медицинские инструменты.
- Эллиптический фильтр — имеет самый крутой график среди всех типов фильтров. Волна находится, как в полосе пропускания, так и на ее пределах. Позволяет быстро и точно управлять настройками фильтра и может достичь высокой селективности. Используется в приложениях, где необходимы строгие требования к фильтрации, такие как телекоммуникации и радиолокационные системы.
- Фильтр Саллена — самая популярная топология активного фильтра, которая реализуется с использованием ОУ. Задействуются резисторы и конденсаторы для реализации различных каскадов фильтрации. Простой в проектировании, коэффициент усиления в полосе пропускания равен 1. Широко используется в аудиосистемах, схемах управления тоном и активными эквалайзерами.
- Фильтр Multiple Feedback — в нем применяется конфигурация активного фильтра, в которой используются ОУ с конденсаторами и резисторами для достижения высоких параметров фильтрации. Отлично подходит для низкочастотных или высокочастотных фильтров узкого диапазона. Фильтры полосовых проходов — это дискриминаторы, которые предназначены для селекции лишь определенного набора частот.
Существуют мощные виды активных фильтров, которые используются для исправления формы питающего напряжения в цепях нелинейных нагрузок. Мощные импульсные преобразователи, индуктивные печи и сварочное оборудование может вносить в питающую сеть большой уровень помех, исправление пассивными фильтрами, которых будет недостаточно. Поэтому задействуются силовые активные фильтры:
- последовательные — представляют собой генераторы напряжения, которые компенсируют временные провалы сети, также корректируют симметрию фаз в
3-фазных сетях; - параллельные — используется для улучшения напряжения и формы тока остальных потребителей после воздействия нелинейных нагрузок.
Отличие пассивных фильтров от активных
Пассивные фильтры состоят из постоянных по характеристикам компонентов (резисторы, конденсаторы и индукторы). Для смены параметров требуется механический или электронный ключ, который отключает одни частотозадающие детали и подключает другие.
Есть электронные компоненты, варикапы, которые имеют емкость, управляемую подаваемым на него напряжением. Но, фильтры, построенные на их основе, также считаются пассивными, так как выполняют только функцию подавления или ослабления сигнала.
Активные фильтры — это электронные схемы, в которых используются активные компоненты, обычно операционные усилители. С их помощью достигаются желаемые характеристики фильтрации. Они включают в себя активные быстро настраиваемые усилительные элементы. С их помощью:
- повышается производительность системы за счет отсутствия или очень малой дискриминации полезного сигнала;
- увеличивается скорость изменения параметров фильтрации;
- обеспечиваются дополнительные функциональные возможности.
Активные фильтры — это, интегрированные схемы, которые способны усиливать сигналы лишь определенной частоты. Подавление постоянного напряжения и переменной составляющей других частот производится, в основном, цепями обратной связи. А использование многокаскадных структур позволяет добиться требуемого уровня дискриминации сигнала запредельной частоты. Этим способом выравнивается усилительная характеристика во всем диапазоне требуемой полосы частот.
Таким образом, в пассивных фильтрах после каждого каскада подавления требуется использовать усилитель или повторитель. Здесь же, в активном фильтре реализуется одновременно усиление и подавление.
Применение активных фильтров
Активные фильтры сигнала используются в системах связи:
- для подавления шума;
- для выделения передачи сигнала из различных каналов;
- для снижения искажений выделяемого сигнала из модулированной составляющей.
Они широко применяются разработчиками в системах управления приборами для выбора необходимого устройства, настроенного на определенную частоту. При этом другие аппараты, настроенные на иную частоту, остаются отключенными от управления.
Активные фильтры часто задействуются для ограничения полосы пропускания аналогового сигнала, прежде чем преобразовать его в цифровой. Их применяют в качественных аудиосистемах для отправки различных частот на усилители, нагруженные разными динамиками. Также они используются в биомедицинских инструментах для взаимодействия психологических датчиков с диагностическим оборудованием и последующей регистрацией этих данных.
