Активные фильтры на операционном усилителе

Активным фильтром называется устройство, построенное на резисторах, конденсаторах и активных элементах, предназначенное для пропускания сигналов в определенной полосе частот и подавления сигналов за пределами этой полосы.

При использовании в качестве активного элемента схемы фильтра ОУ можно синтезировать характеристику любого фильтра без применения катушек индуктивности.

По сравнению с пассивными активные фильтры обладают следующими достоинствами:

• • в них используются только резисторы и конденсаторы;
• • малые номиналы конденсаторов;
• • высокая добротность (крутизна переходных участков АЧХ);
• • не вносят существенных потерь;
• • невелики по габаритам и массе;
• • относительно дешевы.

Активные фильтры имеют и недостатки. Они нуждаются в источнике питания, а их рабочий диапазон ограничен сверху максимальной рабочей частотой ОУ.

Рис. 10.86. Временные диаграммы, поясняющие работу дифференциатора.

Основными параметрами электрических фильтров являются:

• 1) частота среза f или оз_ср — это частота, при которой К_и фильтра падает до уровня 0,707 от К_и в полосе пропускания (т.е. падает на 3 дБ);
• 2) граничная частота /_г — это частота, при которой К_и фильтра на 3 дБ выше, чем в полосе подавления;
• 3) полоса пропускания — это полоса частот, в которой сигнал передается без искажений;
• 4) полоса подавления — это полоса частот, в которой сигнал подавляется до заданного уровня;
• 5) переходный участок — это интервал частот между частотами/_ср и/_г;
• 6) добротность Q — это величина, связывающая среднюю частоту полосы пропускания и ее ширину на уровне 3 дБ и определяемая по формуле

где /о = yj/_cpi/cp2 — средняя центральная частота; /_ср1 — нижняя частота среза на уровне 3 дБ;/_ср2 — верхняя частота среза на уровне 3 дБ.

7) коэффициент затухания а — это величина обратная добротности, а = 1/Q. Он определяет форму частотной характеристики фильтра, т. е. его тип.

Классификация активных фильтров.

В зависимости от расположения полосы пропускания и полосы подавления в рабочем диапазоне частот фильтры подразделяются:

• • на фильтры низких частот (ФНЧ): полоса пропускания — от нуля до /_ср, полоса подавления — от /_г до максимальной рабочей частоты схемы —/_тах. АЧХ ФНЧ приведена на рис. 10.87, а;
• • фильтры высоких частот (ФВЧ): полоса пропускания — от /_ср до /_тах, полоса подавления — от нуля до /_г. АЧХ ФВЧ приведена на рис. 10.87, б;
• • полосовые фильтры (ПФ): полоса пропускания — от /_ср1 до /_ср2, полоса подавления — от нуля до/_г1 и от/_г2 До/_тах. АЧХ ПФ приведена на рис. 10.87, в;
• • режекторные фильтры (РФ): полоса пропускания — от нуля до/_ср1 и ^от/ср2 Д°/тах> полоса подавления — от/_ср1 до/_ср2. АЧХ РФ приведена на рис. 10.87, г.

Рис. 10.87. АЧХ фильтров:

а — фильтра низкой частоты; б — фильтра высокой частоты; в — полосового фильтра; г — режекторного фильтра По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры и фильтры на ОУ.

В зависимости от вида переходного участка АЧХ различают фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя.

По числу полюсов, определяющих наклон АЧХ на переходном участке, фильтры подразделяются на фильтры первого порядка, второго порядка и более высоких порядков. Порядок фильтра определяется числом RC-цепей (звеньев).

АЧХ фильтра Баттерворта в пределах полосы пропускания весьма близка к равномерной, и ее называют максимально плоской. Недостатком фильтра является неравномерная ФЧХ, что приводит к искажению спектра сигнала в полосе пропускания.

Фильтр Чебышева имеет более высокую добротность, однако имеет некоторую неравномерность коэффициента передачи по напряжению в полосепропускания за счет получения большей крутизны переходного участка. Недостатком фильтра Чебышева является также неравномерная ФЧХ.

Для фильтра Бесселя характерна равномерная ФЧХ и отсутствие искажений в спектре сигнала. Однако его АЧХ имеет более пологий переходный участок по сравнению с фильтром Баттерворта.