Електричні фільтри

Електричні фильтры.

Електричними частотними фільтрами називаються четырехполюсники, ослаблення що у деякою смузі частот мало, а інший смузі частот — велике. Діапазон частот, в якому ослаблення мало, називається смугою пропускання, а діапазон частот, у якому ослаблення велике — смугою затримування. Між цими смугами часто вводять смугу переходу. [pic] Фільтри може бути пасивними, які з индуктивностей і ємностей (пасивні LC-фильтры), пасивними, які з опорів і ємностей (пасивні RC-фильтры), активними (ARC-фильтры), кварцовими, магнитстрикционными, з переключающими конденсаторами, цифровими (з допомогою ЕОМ) і деякими іншими. Фільтри LC мають стала вельми поширеною, але нині інтенсивно витісняються ARC-фильтрами. Надзвичайно перспективними є фільтри з переключающими конденсаторами (AC-фильтры). Кварцові фільтри обеспецивают дуже великі добротності (до десятків тисяч) на високих частотах, а магнитострикционные—на низких.

Фільтри з характеристиками Баттерворта,.

Чебишева, Золотарева.

При синтезировании фільтрів широкого розповсюдження набули фільтри з характеристиками, названими іменами великих учених, чиї праці використовувалися розробки даних фільтрів — Баттерворта, Чебишева, Золотарьова (С.Баттерворт — інженерелектрик, який досліджував фільтри в 30-х роках минулого (ХХ) століття, П. Л. Чебышев (1821−1894) та О. І. Золотарьов (1847−1878) — великі математики, академіки Петербургській академії наук).

Фільтрами з характеристиками Баттерворта називають фільтри, у що у ФНЧ за нульової частоті ослаблення = 0, в смузі пропускання воно монотонно збільшується, на граничной частоті сягає 3 дБ, потім у смузі затримки поступово зростає. Чим більший ланок має фільтр, т. е. що стоїть його порядок, тим крутіше йде характеристика в смузі затримки і тим меншим ослаблення в смузі пропускання. У цьому слід пам’ятати, що елементи фільтра вважають суто реактивними. За наявності втрат характеристики спотворюються і вирізняються від рассматриваемых.

Фільтрами Чебишева називають фільтри, які мають характеристика ослаблення в смузі пропускання має коливальний характер з амплітудою, який перевищує 3 дБ, а смузі затримування — монотонно зростаючій, з крутістю, більшої, ніж в фільтра Баттерворта такої ж порядку. Чим більший амплітуда ослаблення в смузі пропускання, тим крутіше йде характеристика в смузі затримування і навпаки, що менше амплітуда коливання в смузі пропускання, тим менше крутість характеристики в смузі задерживания.

Характеристика фільтра Золотарьова має у смузі пропускання коливальний характер, а смузі затримування — немонотонный, із наступними характерними всплесками.

Кварцові фильтры.

У реальних умов добротності котушок становлять десятки, іноді сотні, але щоб одержати необхідних харктеристик у низці випадків необхідні добротності значно вищі, передусім в полосовых фільтрах із вузькою смугою пропускання. Для таких цілей використовують кварцові фильтры.

Кварцові фільтри працюють за наступному принципу: в платівці, вирізаної з природного матеріалу — кварцу, виявляються прямий і зворотний п'єзоелектричний ефекти, що перебувають у тому, що з стискуванні і розтягненні платівки, в одній його поверхні з’являється позитивного заряду, але в інший — негативний. Якщо ж покрити дві межі платівки металом і додати до текстів переменое напруга, то платівка стане стискатися і розтягуватися, т. е. виходять механічні коливання. Це називається зворотним пьезоэлектрическим ефектом. Як всяка коливальна система, кварцова платівка має власну частоту коливань, яка від її геометричних розмірів. Власна частота кварцової платівки при товщині 1 мм становить одиниці мегагерц. [pic].

Магнитострикционные фильтры.

Коливальні системи може бути як електричними, і механічними. Наприклад, камертон, напнута струна та інші устрою є типово колебательными системами. За принципом успользования коливальних властивостей подібних деталей розроблено й використовують у техніці зв’язку електромеханічні фільтри, добротності дуже високі — порядку одиниць тисяч. Принцип дії цих фільтрів ось у чому. Виявилося, деякі матеріали, наприклад нікель, феррит та інші, мають властивостями змінювати свою довжину при зміні магнітного поля, де вони перебувають. Такий ефект називають магнитострикционным. Він використовують у електромеханічних магнитострикционных фільтрах, які з жорстко закріпленого нікелевого чи ферритового стрижня довгою на кілька сантиметрів. На стрижні перебуває котушка з индуктивностью порядку десятка микрогенри та постійний магніт. При протікання по котушці змінного струму магнітне полі змінюється, що зумовлює зміни довгі стрижнів та його резонансним частотам.

Такі фільтри називають також магнитострикционными резонаторами. У таких фільтрах W2/W3 = 1,01 — 1,10, що він відповідає добротностям 2000…4000 й у багаторазово перевищує добротності, які можна отримати LC-фильтрах. [pic].

Лінії задержки.

У будь-якій ланцюга, що містить нагромаджувачі енергії, максимальні значення миттєвих вихідних напруг зсунуто за часом щодо аналогчных максимальних вхідних напруг. Наприклад в нижчеподаній схемою вихідний напруга відстає за фазою від вхідного, що робить між тими напругами утворюється зрушення у часі. Таке час затримки називають груповим. [pic].

Слід зазначити, що на підвищення частоти час затримки скорочується т. до. ёмкость є частотозависимым элементом.

Активні фильтры.

Фільтри класу ARC називаються активними. Насправді найбільше торгівлі поширення набули фільтри, у ролі активних елементів використовуються операційні підсилювачі. [pic].

Ланцюги з переключающими конденсаторами.

Сучасна мікроелектроніка дозволяє виготовляти однією кристалі і поза один технологічний цикл електронні устрою, містять велике число елементів — резисторів, конденсаторів, транзисторів, ЗУ тощо. буд. Проте обсяг, яку він обіймав резистором, значно (іноді до 100 раз) перевищує обсяг, яку він обіймав конденсатором, причому зі збільшенням опору резистора збільшуються його розміри. Отже виявилася надзвичайно перспективної ідея — замінити резисторы деякою, навіть многоэлементной схемою, але з що містить резистивных елементів. Така заміна дуже суттєва ще й оскільки зменшення кількості резисторів знижує споживану міць і виділення тепла в микросхеме.

Розглянемо таку заміну на схемах 1 і 2. [pic].

Пусть є схема 1, якщо U1 > U2, то ланцюга потече струм від точки, а до точці в. Замінимо тепер схему 1 схемою 2. перемикач До в певний момент переведём з положення 2 у безвихідь 1. Оскільки напруга на конденсаторі відмінно від напруги U1, конденсатор стане заряджатися й у галузі першого джерела потече струм, як і він протікав у схемою 1. Після перемикання ключа у безвихідь 2, конденсатор стане розряджатися й у провіднику в виявиться струм. Ці перемикання виробляють із досить великий частотою, яку називають тактовою. Як перемикача використовують спеціальне електронне пристрій, не що містить резисторов.

Цифрові фильтры.

Цифрові фільтри (эквалайзеры) отримали стала вельми поширеною завдяки інтенсивному розвитку ЕОМ. Можливості таких эквалайзеров практично необмежені (залежить від складності програми). Після обробітку цифровим эквалайзером є можливість встановити добротність до 10 000, коефіцієнт посилення на певної частоті може становити 50 дБ, а ослаблення — до негативною нескінченності (повного придушення частоти), чого не вдасться дістати аналогових фільтрах! Цифрові эквалайзеры не дають фазових зрушень частот, хоча коли треба це симитировать, подібна не проблема. Цифрові эквалайзеры будь-коли додадуть галасу сигнал, т. до. обробляється оцифрований сигнал і якість цієї обробки залежить від складності алгоритму, частоти дискретизації і битности.