Электрические фильтры

Электрические фильтры. Электрическими частотными фильтрами называются четырехполюсники, ослабление которых в некоторой полосе частот мало, а в другой полосе частот велико. Диапазон частот, в котором ослабление мало, называется полосой пропускания, а диапазон частот, в котором ослабление велико полосой задерживания. Между этими полосами часто вводят полосу перехода.Фильтры могут быть пассивными, состоящими из индуктивностей и емкостей пассивные LC-фильтры , пассивными, состоящими из сопротивлений и емкостей пассивные RC-фильтры , активными ARC-фильтры , кварцевыми, магнитстрикционными, с переключающими конденсаторами, цифровыми с использованием ЭВМ и некоторыми другими.

Фильтры LC имеют широкое распространение, но в настоящее время интенсивно вытесняются ARC-фильтрами.Чрезвычайно перспективными являются фильтры с переключающими конденсаторами AC-фильтры . Кварцевые фильтры обеспецивают очень большие добротности до десятков тысяч на высоких частотах, а магнитострикционные на низких.

Фильтры с характеристиками Баттерворта, Чебышева, Золотарева.При синтезировании фильтров широкое распространение получили фильтры с характеристиками, названными именами крупных ученых, чьи труды использовались при разработке данных фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарева С.Баттерворт инженер-электрик, исследовавший фильтры в 30-х годах прошлого ХХ века, П. Л. Чебышев 1821-1894 и Е. И. Золотарев 1847-1878 крупные математики, академики Петербургской академии наук . Фильтрами с характеристиками Баттерворта называют фильтры, у которых в ФНЧ при нулевой частоте ослабление 0, в полосе пропускания оно монотонно увеличивается, на граничной частоте достигает 3 дБ, а затем в полосе задержки постепенно возрастает.

Чем больше звеньев имеет фильтр, т. е. чем выше его порядок, тем круче идет характеристика в полосе задержки и тем меньше ослабление в полосе пропускания. При этом следует иметь в виду, что элементы фильтра считают чисто реактивными.При наличии потерь характеристики искажаются и отличаются от рассматриваемых.

Фильтрами Чебышева называют фильтры, у которых характеристика ослабления в полосе пропускания имеет колебательный характер с амплитудой, не превышающей 3 дБ, а в полосе задерживания монотонно возрастающей, с крутизной, большей, чем у фильтра Баттерворта такого же порядка.Чем больше амплитуда ослабления в полосе пропускания, тем круче идет характеристика в полосе задерживания и наоборот, чем меньше амплитуда колебания в полосе пропускания, тем меньше крутизна характеристики в полосе задерживания.

Характеристика фильтра Золотарева имеет в полосе пропускания колебательный характер, а в полосе задерживания немонотонный, с характерными всплесками. Кварцевые фильтры. В реальных условиях добротности катушек составляют десятки, иногда сотни, но для получения требуемых харктеристик в ряде случаев необходимы добротности значительно большие, прежде всего в полосовых фильтрах с узкой полосой пропускания.Для таких целей используют кварцевые фильтры.

Кварцевые фильтры работают по следующему принципу в пластинке, вырезанной из природного материала кварца, обнаруживаются прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, состоящие в том, что при сжатии и растяжении пластинки, на одной ее поверхности появляется положительный заряд, а на другой отрицательный.Если же покрыть две грани пластинки металлом и приложить к ним переменое напряжение, то пластинка станет сжиматься и растягиваться, т. е. получаются механические колебания.

Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Как всякая колебательная система, кварцевая пластинка имеет собственную частоту колебаний, которая зависит от её геометрических размеров. Собственная частота кварцевой пластинки при толщине 1 мм составляет единицы мегагерц. Магнитострикционные фильтры. Колебательные системы могут быть как электрическими, так и механическими.Например, камертон, натянутая струна и тому подобные устройства являются типично колебательными системами.

По принципу успользования колебательных свойств подобных деталей разработаны и используются в технике связи электромеханические фильтры, добротности которых весьма высокие порядка единиц тысяч. Принцип действия этих фильтров состоит в следующем. Оказалось, что некоторые материалы, например никель, феррит и другие, обладают свойствами изменять свою длинну при изменении магнитного поля, в котором они находятся. Подобный эффект называют магнитострикционным.Он используется в электромеханических магнитострикционных фильтрах, состоящих из жестко закреплённого никелевого или ферритового стержня длинной в несколько сантиметров.

На стержне находится катушка с индуктивностью порядка десятка микрогенри и постоянный магнит. При протекании по катушке переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длинны стержней и их резонансным частотам. Подобные фильтры называют также магнитострикционными резонаторами.В таких фильтрах W2 W3 1,01 1,10, что соответствует добротностям 2000 4000 и во много раз превышает добротности, которые можно получить в LC-фильтрах.

Линии задержки. В любой цепи, содержащей накопители энергии, максимальные значения мгновенных выходных напряжений сдвинуты по времени относительно аналогчных максимальных входных напряжений. Например в нижеприведенной схеме выходное напряжение отстает по фазе от входного, из-за чего между этими напряжениями образуется сдвиг во времени.Такое время задержки называют групповым. Следует отметить, что с повышением частоты время задержки сокращается т. к. ёмкость является частотозависимым элементом.

Активные фильтры. Фильтры класса ARC называются активными. На практике наибольшее распространение получили фильтры, у которых в качестве активных элементов используются операционные усилители. Цепи с переключающими конденсаторами.Современная микроэлектроника позволяет изготавливать на одном кристалле и за один технологический цикл электронные устройства, содержащие большое число элементов резисторов, конденсаторов, транзисторов, ОУ и т. д Однако объем, занимаемый резистором, значительно иногда до 100 раз превышает объем, занимаемый конденсатором, причем с увеличением сопротивления резистора увеличиваются его размеры.

Таким образом оказалась чрезвычайно перспективной идея заменить резисторы некоторой, пусть даже многоэлементной схемой, но не содержащей резистивных элементов.Такая замена весьма существенна также и потому, что уменьшение числа резисторов снижает потребляемую мощность и выделение тепла в микросхеме.

Рассмотрим такую замену на схемах 1 и 2. Пусть имеется схема 1, если U1 U2, то по цепи потечет ток от точки а к точке в. Заменим теперь схему 1 схемой 2. переключатель К в некоторый момент переведём из положения 2 в положение 1. Поскольку напряжение на конденсаторе отлично от напряжения U1, конденсатор станет заряжаться и в ветви первого источника потечет ток, также, как он протекал в схеме 1. После переключения ключа в положение 2, конденсатор станет разряжаться и в проводнике в окажется ток. Эти переключения производят с достаточно большой частотой, которую называют тактовой.

В качестве переключателя используют специальное электронное устройство, не содержащее резисторов. Цифровые фильтры.Цифровые фильтры эквалайзеры получили широкое распространение благодаря интенсивному развитию ЭВМ. Возможности таких эквалайзеров практически неограничены зависит от сложности программы . При обработке цифровым эквалайзером есть возможность установить добротность до 10000, коэффициент усиления на определенной частоте может достигать 50 дБ, а ослабления до отрицательной бесконечности полного подавления частоты , чего никогда не удастся получить на аналоговых фильтрах! Цифровые эквалайзеры не дают фазовых сдвигов частот, хотя если надо это симитировать, то подобное не проблема.

Цифровые эквалайзеры никогда не добавят шум в сигнал, т. к. обрабатывается оцифрованный сигнал и качество этой обработки зависит от сложности алгоритма, частоты дискретизации и битности.