Электронный фильтр - Electronic filter

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Март 2013 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

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

Электронные фильтры являются разновидностью фильтр обработки сигналов в виде электрических цепей. В этой статье рассматриваются фильтры, состоящие из сосредоточенный электронные компоненты, в отличие от фильтры 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 пакетах или частью Интегральная схема.

Электронные фильтры удаляют нежелательные частотные составляющие из подаваемого сигнала, усиливают полезные или и то, и другое. Они могут быть:

• пассивный или же активный
• аналог или же цифровой
• высокая частота, НЧ, полоса пропускания, остановка (отклонение полосы; надрез), или универсальный.
• дискретное время (выборка) или непрерывное время
• линейный или же нелинейный
• бесконечный импульсный отклик (Тип IIR) или конечная импульсная характеристика (Тип FIR)

Самые распространенные типы электронных фильтров: линейные фильтры, независимо от других аспектов их дизайна. См. Статью о линейных фильтрах для получения подробной информации об их построении и анализе.

История

Самые старые формы электронных фильтров - это пассивные аналоговые линейные фильтры, построенные с использованием только резисторы и конденсаторы или резисторы и индукторы. Они известны как RC и RL single-столб фильтры соответственно. Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные ЖК-фильтры обеспечивают больший контроль формы отклика, полосы пропускания и переходные полосы. Первым из этих фильтров был постоянный k-фильтр, изобретенный Джордж Кэмпбелл в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла представлял собой лестничную сеть, основанную на линия передачи теория. Вместе с улучшенными фильтрами от Отто Зобель и другие, эти фильтры известны как фильтры параметров изображения. Большой шаг вперед был сделан Вильгельм Кауэр кто основал сферу сетевой синтез примерно во время Вторая Мировая Война. Теория Кауэра позволяла создавать фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.

Классификация по технологии

Пассивные фильтры

Пассивные реализации линейных фильтров основаны на комбинациях резисторы (Р), индукторы (Земельные участки конденсаторы (С). Эти типы вместе известны как пассивные фильтры, потому что они не зависят от внешнего источника питания и не содержат активных компонентов, таких как транзисторы.

Индукторы блокируют высокочастотные сигналы и проводят низкочастотные сигналы, а конденсаторы сделайте наоборот. Фильтр, в котором сигнал проходит через индуктор, или в котором конденсатор обеспечивает путь к земле, представляет меньше затухание к низкочастотным сигналам, чем к высокочастотным, и поэтому фильтр нижних частот. Если сигнал проходит через конденсатор или имеет путь к земле через катушку индуктивности, тогда фильтр обеспечивает меньшее затухание высокочастотных сигналов, чем низкочастотные сигналы, и, следовательно, является фильтр высоких частот. Резисторы сами по себе не имеют частотно-избирательных свойств, но добавляются к индукторам и конденсаторам для определения постоянные времени схемы и, следовательно, частоты, на которые она реагирует.

Катушки индуктивности и конденсаторы являются реактивный элементы фильтра. Количество элементов определяет порядок фильтра. В этом контексте LC настроенная схема использование в полосовом или полосовом фильтре считается одним элементом, даже если он состоит из двух компонентов.

На высоких частотах (выше примерно 100 мегагерц ), иногда катушки индуктивности состоят из одиночных петель или полосок листового металла, а конденсаторы - из смежных полос металла. Эти индуктивные или емкостные металлические части называются заглушки.

Типы отдельных элементов

Электронный фильтр нижних частот, реализованный RC схема

Простейшие пассивные фильтры, RC и RL фильтры, включают только один реактивный элемент, кроме гибридный ЖК-фильтр который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенными в одном элементе.^[1]

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 НЧ, высокая частота, полоса пропускания, или же остановка характеристика возможен. 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. С помощью m-производный фильтр В секциях с правильными оконечными сопротивлениями входное сопротивление может быть достаточно постоянным в полосе пропускания.^[2]

Многоэлементные типы

Многоэлементные фильтры обычно строятся в виде лестничная сеть. Их можно рассматривать как продолжение L-, T- и π-дизайнов фильтров. Больше элементов необходимо, 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. Операционные усилители часто используются в конструкциях активных фильтров. У них может быть высокий Добротность, и может достичь резонанс без использования индукторов. 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, кристаллические фильтры, механические фильтры, поверхностная акустическая волна (ПАВ) фильтры, фильтры объемных акустических волн (ОАВ), гранатовые фильтры, и атомарные фильтры (используемые в атомные часы ).

Передаточная функция

смотрите также Фильтр (обработка сигнала) для дальнейшего анализа

В функция передачи ${ displaystyle H (s)}$ фильтра - это отношение выходного сигнала ${ displaystyle Y (s)}$ к входному сигналу ${ Displaystyle X (s)}$ как функция комплексной частоты ${ displaystyle s}$:

${ Displaystyle H (s) = { гидроразрыва {Y (s)} {X (s)}}}$.

Передаточная функция всех линейных инвариантных во времени фильтров, построенных из сосредоточенный компоненты (в отличие от распределен компоненты, такие как линии передачи), будет отношением двух полиномов в ${ displaystyle s}$, т.е. рациональная функция из ${ displaystyle s}$. Порядок передаточной функции будет наивысшей степенью ${ displaystyle s}$ встречаются либо в числителе, либо в знаменателе.

Классификация по топологии

Электронные фильтры можно классифицировать по технологии их реализации. пассивный фильтр и активный фильтр технологии можно дополнительно классифицировать по конкретным топология электронного фильтра используется для их реализации.

Любая заданная передаточная функция фильтра может быть реализована в любом топология электронного фильтра.

Вот некоторые распространенные топологии схем:

• Топология Кауэра - пассивный
• Топология Саллена – Ки - активный
• Топология множественной обратной связи - активный
• Топология переменной состояния - активный
• Биквадратичная топология - активный

Классификация по методологии проектирования

Исторически конструкция линейного аналогового фильтра развивалась с помощью трех основных подходов. Самые старые конструкции - это простые схемы, в которых основным критерием проектирования был Добротность схемы. Это отражало применение фильтрации радиоприемником, поскольку Q была мерой частотной избирательности схемы настройки. С 1920-х годов фильтры начали разрабатываться с изображение Точка зрения, в основном обусловленная требованиями телекоммуникаций. После Вторая Мировая Война доминирующей методологией была сетевой синтез. Изначально использовавшаяся высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений полиномиальных коэффициентов, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным.^[3]

Анализ прямой цепи

Фильтры низкого порядка могут быть разработаны путем прямого применения основных законов цепи, 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

Основная статья: Составные фильтры изображений

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 состоит в том, что точность прогнозируемых откликов зависит от оконечных сопротивлений фильтра в импедансе изображения, что обычно не так.^[4]

Постоянный отклик фильтра k с 5 элементами

Сетевой фильтр Зобеля (постоянный R), 5 секций

Отклик фильтра на основе m, m = 0,5, 2 элемента

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

Сетевой синтез

Основная статья: Фильтры синтеза сети

В сетевой синтез подход начинается с требуемой передаточной функции, а затем выражается в виде полиномиального уравнения входного импеданса фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются путем разложения этого полинома на дробную или непрерывную дробь. В отличие от метода изображения, нет необходимости в схемах согласования импеданса на оконечных устройствах, поскольку влияние согласующих резисторов учитывается с самого начала.^[4]

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

внешняя ссылка

• National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a) примечание по применению описание теории 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