Электронный фильтр - Electronic filter

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

Электронные фильтры - это разновидность фильтров обработки сигналов в виде электрических цепей. 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 дискретных 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 (режекторный, режекторный) или полностью проходящий .
дискретное время (выборка) 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 аспектов их конструкции. См. Статью о линейных фильтрах для получения подробной информации об их конструкции и анализе.

История

Самые старые формы электронных фильтров - это пассивные аналоговые линейные фильтры, построенные с использованием только резисторов и конденсаторов или резисторов и катушек индуктивности . Они известны как RC и RL Одно- полюсных фильтров соответственно. Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные ЖК-фильтры обеспечивают больший контроль формы отклика, полосы пропускания и переходных полос . Первым из этих фильтров был фильтр с постоянным k , изобретенный Джорджем Кэмпбеллом в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла представлял собой лестничную схему, основанную на теории линий передачи . Вместе с улучшенными фильтрами Отто Зобеля и других эти фильтры известны как фильтры параметров изображения . Большой шаг вперед был сделан Вильгельмом Кауэром, который основал область сетевого синтеза во время Второй мировой войны . Теория Кауэра позволяла создавать фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.

Классификация по технологии

Пассивные фильтры

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

Катушки индуктивности блокируют высокочастотные сигналы и проводят низкочастотные сигналы, а конденсаторы - наоборот. 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 поэтому 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 . Сами по себе резисторы не обладают частотно-избирательными свойствами, но добавляются к катушкам индуктивности и конденсаторам для определения постоянных времени цепи и, следовательно, частот, на которые она реагирует.

Катушки 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 мегагерц ) иногда индукторы состоят из одиночных петель или полосок листового металла, а конденсаторы состоят из смежных полос металла. Эти индуктивные или емкостные металлические части называются шлейфами .

Типы отдельных элементов

Электронный фильтр нижних частот, реализованный на RC-цепи.

Простейшие пассивные фильтры RC и RL содержат только один реактивный элемент, за исключением гибридного LC-фильтра, который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенными в одном элементе.

L фильтр

L-фильтр состоит из двух реактивных элементов, одного последовательно, а другого параллельно.

T- и π-фильтры

Π фильтр нижних частот

Т-фильтр верхних частот

Трехэлементные фильтры могут иметь топологию «T» или «π», и в любой геометрии возможны характеристики низких частот , высоких частот , полосовой или полосовой . Компоненты могут быть выбраны симметричными или несимметричными в зависимости от требуемых частотных характеристик. Т-фильтр верхних частот на иллюстрации имеет очень низкий импеданс на высоких частотах и очень высокий импеданс на низких частотах. Это означает, что его можно вставить в линию передачи, что приведет к пропусканию высоких частот и отражению низких частот. Аналогичным образом, для проиллюстрированного π-фильтра нижних частот схема может быть подключена к линии передачи, передавая низкие частоты и отражая высокие частоты. Используя производные m секций фильтра с правильными оконечными сопротивлениями, входной импеданс может быть достаточно постоянным в полосе пропускания.

Многоэлементные типы

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 крутизна перехода от полосы пропускания к полосе задерживания.

Активные фильтры

Активные фильтры реализованы с использованием комбинации пассивных и активных (усилительных) компонентов и требуют внешнего источника питания. В конструкциях активных фильтров часто используются операционные усилители . Они могут иметь высокую добротность и обеспечивать резонанс без использования катушек индуктивности. Однако их верхний предел частоты ограничен полосой пропускания усилителей.

Другие технологии фильтрации

Помимо сосредоточенной компонентной электроники, существует множество технологий фильтрации. К ним относятся цифровые фильтры , кварцевые фильтры , механические фильтры , фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), фильтры на основе тонкопленочного объемного акустического резонатора (TFBAR, FBAR), гранатовые фильтры и атомные фильтры (используемые в атомных часах ).

Передаточная функция

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

Передаточная функция фильтра представляет собой отношение выходного сигнала к этому входному сигналу в зависимости от комплексной частоты : ${\ Displaystyle H (s)}$ ${\ displaystyle Y (s)}$ ${\ Displaystyle X (s)}$ ${\ displaystyle s}$

{\ Displaystyle H (s) = {\ гидроразрыва {Y (s)} {X (s)}}}

.

Функция передачи всех линейных инвариантные по времени фильтров, когда построена из сосредоточенных компонентов (в отличие от распределенных компонентов , таких как линия передачи), будет отношение двух многочленов в , т.е. рациональной функции от . Порядок передаточной функции будет наивысшей степенью из числа, встречающегося в числителе или знаменателе. ${\ displaystyle s}$ ${\ displaystyle \ s}$ ${\ displaystyle \ s}$

Классификация по топологии

Электронные фильтры можно классифицировать по технологии их реализации. Фильтры, использующие пассивные фильтры и технологии активных фильтров, могут быть дополнительно классифицированы по конкретной топологии электронного фильтра, используемой для их реализации.

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

Вот некоторые распространенные топологии схем:

Топология Кауэра - пассивная
Топология Саллена – Ки - активная
Топология множественной обратной связи - активная
Топология переменной состояния - активная
Биквадратная топология - активная

Классификация по методологии проектирования

Исторически сложилось так, что конструкция линейного аналогового фильтра развивалась с помощью 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 гг фильтры начали быть разработаны с изображения точки зрения, в основном гонят требованиями телекоммуникаций. После Второй мировой войны доминирующей методологией был сетевой синтез . Первоначально использовавшаяся высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений полиномиальных коэффициентов, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным.

Анализ прямой цепи

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.

Частотная характеристика фильтра RL

Анализ импеданса изображения

Этот подход анализирует участки фильтра с точки зрения того, что фильтр находится в бесконечной цепочке одинаковых участков. Его преимущества заключаются в простоте подхода и возможности легко расширяться до более высоких порядков. Его недостаток заключается в том, что точность прогнозируемых откликов зависит от оконечных сопротивлений фильтра в импедансе изображения, что обычно не так.

Постоянный отклик фильтра k с 5 элементами

Сетевой фильтр Зобеля (постоянный R), 5 секций

Отклик фильтра, полученный из m, m = 0,5, 2 элемента

Отклик фильтра на основе m, m = 0,5, 5 элементов

Сетевой синтез

В Сети синтеза начинает подход с требуемой передаточной функцией , а затем выражает то , что в качестве полиномиального уравнения входного импеданса фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются путем разложения этого полинома в непрерывную или частичную дроби. В отличие от метода изображения, нет необходимости в схемах согласования импеданса на оконечных устройствах, поскольку влияние оконечных резисторов учитывается с самого начала.

Вот изображение, на котором сравниваются фильтры Баттерворта, Чебышева и эллиптические фильтры. Все фильтры на этом рисунке представляют собой фильтры нижних частот пятого порядка. Конкретная реализация - аналоговая или цифровая, пассивная или активная - не имеет значения; их результат будет таким же.

Как видно из изображения, эллиптические фильтры резче, чем все остальные, но они показывают рябь по всей полосе пропускания.

Смотрите также

Примечания и ссылки

Зверев, Анатолий, I (1969). Справочник по синтезу фильтров . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-98680-1.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Каталог типов пассивных фильтров и значений компонентов. Библия для 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

Примечание по применению National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a), описывающее теорию аналоговых фильтров
Основы электротехники и электроники - Подробное объяснение всех типов фильтров
Фильтры BAW (на французском языке; PDF)
Некоторые интересные конфигурации и преобразования дизайна фильтров
Аналоговые фильтры для преобразования данных

Languages

In other projects