Активный фильтр нижних частот

Электрический фильтр представ­ляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он про­пускает сигналы определенных ча­стот и задерживает сигналы других частот. Частотно-избирательные фильтры классифицируют на филь­тры нижних частот, верхних частот, полосно-пропускающие и полосно- заграждающие. Также фильтры подразделяются на пассивные и ак­тивные.

Пассивные фильтры представляют собой устройства, которые реализова­ны на основе резисторов, конденсато­ров и катушек индуктивности, т.е. на основе пассивных компонентов. На низких частотах массогабаритные ха­рактеристики катушек индуктивности становятся неудовлетворительными и имеют значительное отклонение рабо­чих характеристик от идеальных. В ак­тивных фильтрах, как правило, отсут­ствуют катушки индуктивности. В та­ких фильтрах применяются резисторы конденсаторы и один или несколько ак­тивных элементов, таких как транзис­торы, операционные усилители. Прав­да, надо отметить, что применение ак­тивных компонентов увеличивает шумы устройства. Однако в настоящее время разработаны операционные усилители с очень низким уровнем шума. К таким относится, например, AD797.

Фильтр нижних частот представ­ляет собой электрическую схему, ко­торая пропускает сигналы низких ча­стот и задерживает сигналы высоких частот. Существует несколько типов фильтров нижних частот: Баттерворта, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические. Деление на эти че­тыре класса производится на основе амплитудно-частотной характеристи­ки, которая описана математическими выражениями, предложенными со­ответственно Баттервортом, Чебышевым, Кауэром.

Полосы частот, в которых сигна­лы проходят, называют полосами про­пускания. Диапазон частот, в которых сигналы подавляются, образуют поло­сы задерживания.

У идеального фильтра нижних ча­стот полоса пропускания находится в диапазоне 0<f<fc и полоса задержива­ния f>fc. Частота fc между двумя этими полосами называется частотой среза. На практике полосы пропускания и задерживания четко не разграниче­ны, поэтому они должны быть фор­мально определены. Для фильтра ниж­них частот в качестве полосы пропус­кания выбирается диапазон частот, где значение амплитудно-частотной характеристики превышает некото­рое заданное число. Это число усло­вились считать по уровню половин­ной мощности сигнала или уровню 0,707 максимального значения напря­жения сигнала или в децибелах - 3,0. Из этих определений следует, что иде­альная амплитудно-частотная харак­теристика прямоугольная, а реальная далека от идеальной и имеет переход­ную область, в которой характеристи­ка постоянно спадает, переходя от по­лосы пропускания к полосе задерживания. Для того, чтобы переходная об­ласть была меньше, необходимо ус­ложнять фильтр. Но при этом больше звеньев в фильтре, которыми опреде­ляется порядок фильтра, а спедоватепьно, трудоемкость изготовления и настройки. На практике всегда нахо­дят компромиссное решение, задав­шись некоторыми исходными пара­метрами для получения результата, укладывающегося в разумный допуск.

Следует отметить, что кроме по­рядка фильтра на ширину переходной области влияет и каким математичес­ким выражением описывается ампли­тудно-частотная характеристика фильтра, а именно: Баттерворта, Че­бышева или Кауэра. Не прибегая к математическим выражениям, ука­жем, что лучшими характеристиками обладает эллиптический (Кауэра) фильтр, затем Чебышева и последнее место в этом ряду занимает фильтр Баттерворта.

Как следует из вышесказанного, чтобы спроектировать фильтр с ха­рактеристикой, приближенной к иде­альной, необходимо использовать немалое количество реактивных эле­ментов для пассивного фильтра. Для активного фильтра можно обойтись гораздо меньшими затратами.

Особенно это видно на примере низкочастотного фильтра с часто­той среза 3 кГц, схема которого при­ведена на рис. 1. Этот фильтр ши­роко применяется в технике связи, его рекомендует и Поляков В.Т. для использования в технике прямого преобразования.

Для изготовления катушки индук­тивности рекомендуется использовать ферритовое кольцо из материала 2000НН типоразмера К16x8x4. Для получения заданной индуктивности необходимо300витков эмалированно­го провода. Намотка такой катушки - довольно трудоемкое занятие. Ампли­тудно-частотная характеристика этого фильтра приведена на рис. 2.

 Как вид­но из рисунка, крутизна спада амплитудно-частотной характеристики неве­лика, а именно: 12 дБ/октава. Выше частоты среза (3 кГц) частотная харак­теристика монотонно спадает. Там, где нет полезного сигнала, есть шум. То есть выше частоты 3 кГц, где полезного сигнала нет, на выход фильтра про­ходит шум - ослабленный, но все же проходит. На частоте 6 кГц шум ослаб­ляется всего в 4 раза по отношению к полезному сигналу.

Схема активного фильтра с часто­той среза 3,0 кГц приведена на рис. 3. Это фильтр Чебышева с неравномер­ностью 3,0 дБ в полосе пропускания собран на операционном усилителе DA1 с многопетлевой отрицательной обратной связью. Обратная связь ре­ализована резисторами R3, R4 и кон­денсаторами С2, СЗ, С4. Для увели­чения крутизны амплитудно-частотной характеристики в полосе задер­живания включен второй каскад полосно-заграждающего (режекторно­го) фильтра на операционном усили­теле DA2. В цепь обратной связи неинвертирующего усилителя включен двойной Т-мост. Частотозадающими элементами являются резисторы R5, R6, R7 и конденсаторы С5, С6, С7. Частота режекции выбрана 6,0 кГц, что привело к затуханию более 60,0 дБ на этой частоте (рис. 4).

 На более высоких частотах затухание не менее 48,0 дБ. Это значит, что шум ослаб­ляется по отношению к полезному сиг­налу в 256 раз. При изготовлении фильтра необходимо применять пас­сивные компоненты с допуском 5%.

Активный фильтр можно приме­нить в микрофонном усилителе-огра­ничителе. Схема его приведена на рис. 5. В общем, сам усилитель вы­полнен на операционном усилителе DA1. За усилителем следует первый ограничитель на диодах VD1, VD2. За ним следует фазосдвигающий каскад на транзисторе VT1 и элементах С6, R8. Второй ограничитель на диодах VD3, VD4 срезает выбросы. К выходу подключается активный фильтр, рас­смотренный ранее. Этот фильтр не пропускает на выход гармоники сиг­нала, возникающие в процессе огра­ничения. На выходе практически "чи­стая" синусоида. При отсутствии малошумящих операционных усилите­лей можно применить и широко рас­пространенные, например, К140УД6, К140УД7, К140УД8. В этом случае возрастет уровень шумов.

Олег Белоусов

г. Черкассы