Краткие теоретические сведения

Частотные характеристики формируются как пассивными (R, L, C), так и активными элементами (усилительными). Операционные усилители применяются в активных фильтрах, так как их высокое входное сопротивление не нагружает частотозадающие RC -цепи. Необходимо, чтобы операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, обеспечивал заданный коэффициент усиления как в полосе пропускания, так и за его пределами [1].

Активные фильтры на операционных усилителях выполняются для частот до 0,1 МГц.

Классификация: 1) фильтры низких частот, пропускающие сигналы с частотой от ω= 0 до некоторого ω_ср (рис. 4.1, а);

2) фильтры высоких частот, пропускающие сигналы с частотой от          ω = ω_ср до ω → ∞ (рис. 4.1, б);

3) полосовые фильтры, пропускающие сигналы в диапазоне частот от ω₁ до ω₂ (рис. 4.1, в);

4) режекторные (заградительные) фильтры, не пропускающие сигналы в узком диапазоне частот от ω₁ до ω₂ (рис. 4.1, г).

Основной параметр: частотная полоса пропускания, которая определяется по уровню падения коэффициента передачи в 1,41 раза (на 3 дБ).

Полосовой фильтр реализуют последовательным включением фильтров НЧ и ВЧ.

Режекторный фильтр формируют при параллельном включении входов и выходов фильтров низких и высоких частот.

Активные фильтры по реализации частотных характеристик делятся на фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя.

Фильтр Баттерворта обеспечивает при большом порядке фильтра равномерное усиление по амплитуде всех частот в полосе пропускания за исключением частот, соответствующих частоте среза. Недостатки фильтра: нелинейность фазочастотной характеристики и невысокое затухание за пределами полосы пропускания.

Фильтр Чебышева характеризуется наличием нескольких максимумов и минимумов в полосе пропускания. Достоинством фильтра Чебышева являются значительно лучшая фильтрация за пределами полосы пропускания, по сравнению с другими фильтрами. Недостаток фильтра – значительная нелинейность фазочастотной характеристики.

Фильтр Бесселя формирует наибольшее приближение реальной фазочастотной характеристики к линейной зависимости, поэтому фильтры Бесселя не имеют выбросов при подаче ступенчатых сигналов и применяются для фильтрации сигналов прямоугольной формы.

Параметры фильтров: коэффициент затухания, который определяет форму характеристики фильтра на переходном участке и добротность. Добротность фильтра определяется по формуле [4]

 

,

 

где t _ср – средняя частота; f _в – верхняя частота; f _н – нижняя частота.

Активные фильтры применяются в устройствах связи, для фильтрации аналоговой информации, в качестве частотоизбирательных устройств в звуковоспроизводящей аппаратуре (рис. 4.2).

 

 

Рис. 4.1. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) активных фильтров:

а – низких частот; б – высоких частот; в – полосовой; г – режекторный