Активный фильтр: виды, устройство, принцип работы, применение

Активные фильтры - неотъемлемая часть современной электроники. Давайте разберемся, как устроен активный фильтр, его виды и особенности, чтобы грамотно применять его в своих проектах.

1. Что такое активный фильтр

Активный фильтр — это электронная схема, которая пропускает или подавляет определенные частотные составляющие входного сигнала. В отличие от пассивных фильтров на резисторах и конденсаторах, активные фильтры используют активные компоненты, такие как транзисторы или операционные усилители.

Основными преимуществами активных фильтров являются:

• Высокая избирательность и крутизна спада частотной характеристики
• Малые искажения формы сигнала в полосе пропускания
• Возможность регулировки параметров фильтра
• Невысокая чувствительность к нагрузке и паразитным параметрам схемы

Благодаря этим свойствам, активные фильтры широко используются в радиотехнике, звуковой аппаратуре, измерительных приборах и других областях электроники.

2. Основные параметры активного фильтра

Работа любого фильтра характеризуется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Эта зависимость показывает, как затухает амплитуда выходного сигнала фильтра в зависимости от частоты.

Полоса пропускания - это диапазон частот, где амплитуда сигнала практически не затухает. В полосе подавления фильтр значительно ослабляет амплитуду.

Крутизна спада АЧХ показывает, насколько быстро затухает амплитуда при переходе от полосы пропускания к полосе подавления. Чем круче спад, тем лучше фильтр подавляет нежелательные частоты.

Порядок фильтра определяет количество реактивных элементов в его структуре. Чем выше порядок, тем круче может быть спад АЧХ.

Коэффициент добротности Q характеризует избирательность фильтра и форму его АЧХ.

3. Классификация активных фильтров

По типу амплитудно-частотной характеристики различают такие активные фильтры:

• Фильтр нижних частот (ФНЧ) - пропускает низкие и подавляет высокие частоты
• Фильтр верхних частот (ФВЧ) - наоборот, пропускает высокие частоты
• Полосовой фильтр (ПФ) - пропускает только заданную полосу частот
• Режекторный фильтр - подавляет узкую полосу частот

По порядку различают фильтры 1-го, 2-го, 3-го и более высоких порядков. Чем выше порядок, тем круче спад АЧХ и эффективнее фильтрация.

По топологии выделяют фильтры Саллена-Ки, многопетлевые, мостовые и другие структуры, отличающиеся схемой соединения активных и пассивных элементов.

4. Устройство активного фильтра

Упрощенная структурная схема активного фильтра выглядит так:

Основными функциональными узлами являются:

• Активный усилительный элемент, чаще всего операционный усилитель
• Пассивные фильтрующие цепи из резисторов и конденсаторов
• Обратная связь для регулировки параметров

Активный элемент обеспечивает необходимое усиление сигнала и разделение входных и выходных цепей фильтра.

Пассивные RC-цепочки формируют нужную амплитудно-частотную характеристику фильтра. Их параметры определяют полосы пропускания и подавления, крутизну спада, добротность и другие свойства.

Обратные связи позволяют гибко регулировать параметры фильтра, например, частоту среза.

Таким образом, в активном фильтре удачно сочетаются свойства активных и пассивных элементов, что позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики.

5. Основные топологии активных фильтров

Рассмотрим несколько распространенных схемных решений для построения активного фильтра.

Фильтр на основе неинвертирующего усилителя

Простейший вариант активного ФНЧ. Конденсатор C выполняет фильтрацию, а усилитель обеспечивает необходимое усиление и разделение цепей.

Фильтр Саллена-Ки первого порядка

Классическая топология для ФНЧ и ФВЧ. Отличается простотой и хорошими АЧХ. На ее основе строят фильтры более высоких порядков.

Многопетлевой фильтр

Использует несколько контуров обратной связи для формирования крутых АЧХ высоких порядков. Пригоден для селективных полосовых фильтров.

Таким образом, существует множество схемных решений для построения активного фильтра с заданными свойствами.

6. Применение активных фильтров

Активные фильтры находят широкое применение в различных областях:

• Фильтрация и обработка аудиосигналов в звуковых картах и акустических системах
• Выделение полезных сигналов и подавление помех в радиоприемных устройствах
• Разделение каналов связи по частоте в телекоммуникациях
• Измерение параметров сигналов с помощью избирательных фильтров
• Выделение гармоник в блоках питания для устранения помех

С появлением мощных САПР стало возможным эффективно проектировать активные фильтры с заданными характеристиками под конкретные применения.

Таким образом, активные фильтры - это незаменимый функциональный узел в современных электронных системах самого разного назначения.

7. Расчет и моделирование активных фильтров

Чтобы спроектировать активный фильтр с заданными параметрами, необходимо выполнить соответствующие расчеты.

Исходя из требований к частотным характеристикам, типу фильтра и других технических условий производят подбор активных и пассивных элементов схемы.

Затем проводят моделирование фильтра в среде SPICE или других САПР. Это позволяет проанализировать амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, временные и частотные искажения, влияние нагрузки и другие важные параметры.

По результатам моделирования вносят корректировки в расчетную схему фильтра для достижения оптимальных характеристик.

8. Типовые схемы активных фильтров

Рассмотрим несколько типовых схем активных фильтров для конкретных частотных диапазонов.

ФНЧ и ФВЧ на базе ОУ TL081

Простые и надежные схемы фильтров нижних и верхних частот на операционном усилителе TL081. Пригодны для частот до единиц мегагерц.

Высокочастотный ФВЧ на быстродействующих ОУ

Каскадное соединение нескольких микросхем усилителей-ограничителей позволяет реализовать ФВЧ для подавления помех в диапазоне ВЧ и СВЧ.

9. Многокаскадные активные фильтры

Для получения особо крутых АЧХ используют многокаскадные структуры фильтров.

Каскады можно соединять последовательно или параллельно. В первом случае обеспечивается высокая крутизна спада, во втором - широкая полоса пропускания при крутом спаде.

Также применяется суммирование выходных сигналов каскадов для получения сложных АЧХ.

10. Помехи и искажения в активных фильтрах

Основные источники помех и искажений в активных фильтрах:

• Тепловой шум активных элементов
• Дробовой шум при работе на высоких частотах
• Нелинейные искажения при перегрузках по амплитуде
• Паразитные наводки от других узлов схемы

Для борьбы с этими явлениями применяют высококачественные компоненты, экранирование, резервирование по амплитуде и другие методы.

11. Перспективы развития активных фильтров

Основные тенденции развития активных фильтров:

• Переход к СБИС и гибридным схемам
• Увеличение быстродействия и расширение рабочего диапазона частот
• Создание программируемых и перестраиваемых структур
• Миниатюризация фильтров

Будущее активных фильтров связано с развитием технологий производства интегральных схем и радиоэлектронной компонентной базы.

12. Выбор активных и пассивных элементов

При проектировании активного фильтра большое значение имеет правильный подбор всех элементов схемы.

В качестве активных компонентов чаще всего используют операционные усилители, обладающие высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и широкой полосой пропускания. Популярны микросхемы семейств TL071, TL081, NE5532.

Для пассивных RC-цепей подбираются резисторы с минимальным температурным коэффициентом сопротивления, а также качественные конденсаторы с низкими потерями. Используются как обычные резисторы и конденсаторы, так и специализированные чип-компоненты для SMD монтажа.

13. Выбор типа корпуса и печатной платы

Для активных фильтров часто используются металлические экранированные корпуса, что снижает наводки и улучшает электромагнитную совместимость.

Печатная плата должна быть выполнена на высококачественном материале (стеклотекстолит, керамика) с минимальными потерями. Применяются многослойные платы для разделения цепей питания, входных и выходных сигналов.

Тщательно прорабатывается разводка для уменьшения паразитной емкости и индуктивности проводников. Используются отдельные земляные плоскости.

14. Юстировка и настройка фильтра

После изготовления активного фильтра необходимо провести его тестирование и настройку.

С помощью измерительных приборов проверяется соответствие амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик расчетным параметрам.

При необходимости с помощью подстроечных резисторов и конденсаторов производится доводка частот среза, крутизны спада, рипплов в полосе пропускания до нужных значений.

Также оцениваются различные искажения - шумы, нелинейности, перекрестные наводки. По результатам тестирования вносятся улучшения в схему и технологию изготовления фильтра.

15. Применение в зарубежной технике

Активные фильтры широко используются ведущими мировыми производителями электронной техники.

К примеру, в звуковых картах Creative применяются высококачественные операционные усилители для построения фильтров в трактах обработки аудиосигнала. Это позволяет добиться минимальных нелинейных искажений и шумов.

В измерительных приборах Agilent, Tektronix используются сложные активные фильтры на ПАВ для выделения гармоник, подавления помех и т.д. Их характеристики определяют точность измерений.

Таким образом, качество активных фильтров напрямую влияет на эксплуатационные показатели современной электронной аппаратуры.

16. Активные фильтры в системах связи

Активные фильтры являются важной частью аппаратуры для систем связи.

С их помощью выполняется:

• Разделение каналов по частоте в ретрансляторах и мультиплексорах
• Выделение полезного сигнала на фоне помех в приемниках
• Подавление нежелательных гармоник и интермодуляционных искажений в передатчиках
• Коррекция амплитудно-частотной характеристики трактов

От параметров фильтров зависят такие важные характеристики, как избирательность по соседнему каналу, интермодуляционные искажения, отношение сигнал/шум.

17. MEMS технологии в активных фильтрах

Современные MEMS (микроэлектромеханические системы) технологии позволяют создавать миниатюрные высокодобротные резонаторы и фильтры на их основе.

MEMS резонатор представляет собой микроскопическую балку, колеблющуюся на резонансной частоте. Его параметры определяются геометрией балки.

На одном чипе можно разместить сразу несколько резонаторов с разными резонансными частотами и получить полосовой или режекторный фильтр.

Преимущества MEMS фильтров - миниатюрность, высокая избирательность, низкие потери, возможность интеграции с СБИС.

18. Помехоустойчивость активных фильтров

Для повышения помехоустойчивости активных фильтров применяются следующие методы:

• Использование экранированных корпусов и качественных заземлений
• Разделение цепей питания, сигнальных и земляных цепей
• Применение дифференциальных схем включения операционных усилителей
• Установка элементов подавления помех - варисторов, ферритовых колец и т.д.

Грамотное применение этих приемов позволяет существенно улучшить параметры активных фильтров в условиях воздействия помех.

19. Перспективы применения в IoT

Активные фильтры могут найти широкое применение в системах интернета вещей (IoT).

Они будут использоваться для:

• Фильтрации сигналов датчиков от помех
• Выделения слабых полезных сигналов
• Подавления нежелательных гармоник в блоках питания
• Повышения помехоустойчивости каналов связи

Миниатюрные интегральные активные фильтры позволят улучшить характеристики систем IoT при сохранении низкой стоимости и энергопотребления.