Фильтр низких частот. Фильтры низких и высоких частот: принцип работы, расчет и применение в аудиотехнике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое фильтры низких и высоких частот. Как рассчитать частоту среза фильтра. Для чего используются ФНЧ и ФВЧ в усилителях. Как правильно выбрать номиналы компонентов фильтра.

Содержание

Что такое фильтры низких и высоких частот

Фильтры низких и высоких частот — это простейшие электронные схемы, позволяющие ограничить полосу пропускания сигнала. Они широко применяются в аудиотехнике для формирования нужной амплитудно-частотной характеристики.

Основные типы фильтров:

Фильтр низких частот (ФНЧ) — пропускает низкие частоты и подавляет высокие
Фильтр высоких частот (ФВЧ) — пропускает высокие частоты и подавляет низкие

Несмотря на кажущуюся простоту, правильный расчет и применение этих фильтров позволяет существенно улучшить качество звучания аудиосистемы. Рассмотрим принцип работы и особенности расчета ФНЧ и ФВЧ подробнее.

Принцип работы фильтра низких частот

Фильтр низких частот состоит из последовательно включенного резистора и параллельно включенного конденсатора:

Принцип работы ФНЧ основан на том, что на низких частотах конденсатор имеет большое сопротивление и пропускает сигнал почти без ослабления. На высоких частотах сопротивление конденсатора падает, и он шунтирует сигнал на землю.

Частота, на которой начинается заметное ослабление сигнала, называется частотой среза. Она определяется номиналами резистора и конденсатора.

Как работает фильтр высоких частот

Фильтр высоких частот состоит из последовательно включенного конденсатора и параллельно включенного резистора:

На низких частотах конденсатор имеет большое сопротивление и блокирует прохождение сигнала. На высоких частотах сопротивление конденсатора уменьшается, и он пропускает сигнал.

Частота среза ФВЧ также определяется номиналами резистора и конденсатора.

Расчет частоты среза фильтров

Для расчета частоты среза фильтров низких и высоких частот используется формула:

f = 1 / (2πRC)

где:

f — частота среза в Гц
R — сопротивление резистора в Омах
C — емкость конденсатора в Фарадах

Рассмотрим пример расчета частоты среза для ФНЧ с резистором 10 кОм и конденсатором 10 нФ:

Переводим номиналы в основные единицы: R = 10000 Ом, C = 0.00000001 Ф
Подставляем в формулу: f = 1 / (2 * 3.14 * 10000 * 0.00000001) = 1591 Гц

Таким образом, частота среза данного фильтра составляет около 1.6 кГц.

Применение фильтров в аудиотехнике

Фильтры низких и высоких частот широко применяются в различных аудиоустройствах:

В усилителях для ограничения полосы пропускаемых частот
В кроссоверах акустических систем для разделения полос
В эквалайзерах для формирования АЧХ
В предусилителях для подавления ВЧ помех

Правильно рассчитанные фильтры позволяют:

Улучшить звучание системы
Защитить динамики от перегрузки

Устранить нежелательные резонансы
Снизить уровень шумов и помех

Как выбрать номиналы для фильтра

При выборе номиналов компонентов фильтра нужно учитывать несколько факторов:

Требуемая частота среза
Входное сопротивление нагрузки
Выходное сопротивление источника сигнала
Допустимые отклонения номиналов

Общие рекомендации:

Сопротивление резистора выбирается в диапазоне 1-100 кОм
Емкость конденсатора — от единиц нФ до единиц мкФ
Для точной настройки частоты среза можно использовать подстроечные компоненты

Правильный выбор номиналов позволит получить фильтр с нужными характеристиками и минимальными искажениями сигнала.

Многозвенные фильтры

Для получения более крутого спада АЧХ применяются многозвенные фильтры, состоящие из нескольких каскадов RC-цепочек. Наиболее распространены фильтры второго и третьего порядка.

Преимущества многозвенных фильтров:

Более крутой спад АЧХ за пределами полосы пропускания
Лучшее подавление нежелательных частот
Возможность получить более точную форму АЧХ

Недостатки:

Более сложная схема
Большее количество компонентов
Сложнее в расчете и настройке

Многозвенные фильтры часто применяются в кроссоверах акустических систем высокого класса.

Активные фильтры на операционных усилителях

Для улучшения характеристик фильтров применяются активные схемы на операционных усилителях. Это позволяет:

Получить более крутой спад АЧХ
Уменьшить влияние фильтра на источник сигнала
Компенсировать потери в пассивных цепях
Реализовать сложные передаточные функции

Активные фильтры сложнее в расчете, но обладают лучшими характеристиками по сравнению с пассивными. Они широко применяются в профессиональной аудиотехнике.

Простой активный фильтр НЧ с регулировками для усилителя сабвуфера. Сборка и подключение

Приветствую, Самоделкины!
В этой статье мы затронем тему сабвуферов, а точнее тему сборки фильтра НЧ.

Как мы знаем: сабвуфер — это по сути колонка, которая лучше всего играет низкие частоты. Но музыка состоит не только лишь из одних низких частот, есть еще средние и высокие частоты. Низкочастотному динамику (сабвуферу) эти частоты по сути не нужны, они только зря будут нагружать динамик, и их желательно убрать. Именно для этого и придуманы фильтры НЧ, которые срезают ненужные сабвуферу средние и высокие частоты, тем самым выделяя низкочастотный диапазон.

Усилитель сабвуфера отличается от обычного усилителя только тем, что у него имеется фильтр НЧ. В качестве усилителя сабвуфера подойдут усилители АВ класса, Д класса и т.д. Далее мы рассмотрим, как можно собрать активный фильтр НЧ для сборки усилителя сабвуфера.

Дальнейшая инструкция взята с YouTube канала «Radio-Lab». Активный фильтр НЧ требует наличия питания. На изображении ниже представлена схема фильтра НЧ.

Данную схему автор нашел в интернете на одном из форумов.
Автор разработал и нарисовал вот такую печатную плату.

Готовая плата будущего фильтра НЧ для усилителя сабвуфера выглядит так:

Номиналы деталей, а также что и куда подключать промаркировано на самой плате. Все необходимые радиодетали (их не так много) можно найти практически в любом магазине радиодеталей или при необходимости заказать через интернет.

Приступаем к сборке. Начать удобнее всего с постоянных резисторов. Номинал можно определить мультиметром или использовать ESR тестер (у автора именно такой).

Один резистор установлен, аналогичным образом устанавливаем остальные резисторы, здесь нет ничего сложного, главное не спешить, чтобы ничего не напутать.

Резистор на 22кОм со звездочкой можно менять на другой резистор с сопротивлением больше или меньше, в зависимости от необходимого уровня ограничения входного сигнала.

Постоянные резисторы установлены. Далее приступаем к запайке неполярных конденсаторов. Полярность в данном случае не важна, просто становим их на свои места и запаиваем.

Конденсатора номиналом 330пФ в наличии не было, его автор заменил конденсатором на 390пФ, для данной схемы это не критично.
Защитный диод один, устанавливаем его по соответствующей метке анода.

Далее необходимо установить на плату панельку для микросхемы сдвоенного операционного усилителя TL072. Панельку на плату нужно устанавливать по меткам ключа на панельке и на плате. Затем, так же по ключу, нужно установить в панельку и саму микросхему.

Далее займемся светодиодом. Установку производим соблюдая полярность.

Затем можно установить полярные электролитические конденсаторы. При установке необходимо соблюдать полярность. Номинал есть на корпусе. Необходимо использовать конденсаторы с напряжением не ниже напряжения питания.

Когда полярные конденсаторы установлены, можно установить клеммники.

А последними будут установлены переменные резисторы.

Для переменных резисторов также были приобретены вот такие вот ручки.

Сборка завершена, вот такой вот получился фильтр НЧ для усилителя сабвуфера с двумя регуляторами.

Ручкой с красной меткой можно будет регулировать уровень громкости баса, а ручкой с синей меткой – частоту среза. Расстояние между осями переменных резисторов примерно 52мм.

На изображении ниже представлены основные характеристики собранного фильтра НЧ.

Данный фильтр сабвуфера питается от однополярного источника питания в диапазоне от 9 до 18В. Это позволяет использовать его как в автомобиле, так и для портативной или стационарной акустики. Ну что ж, осталось только подключить собранный фильтр и проверить его работоспособность.

Подключение собранного фильтра предельно простое: есть вход, выход и питание. Плюс к тому же все необходимые обозначения нанесены на плату.

Для примера возьмем пару усилителей с однополярным питанием, один АВ класса на микросхеме ТДА7377, а другой Д класса на микросхеме ТРА3118.

Сначала попробуем подключить усилитель АВ класса на микросхеме ТДА7377, усилитель стерео, но по сути, два сигнальных входных контакта запараллелены по входу, и получается как бы 2 одинаковых моно усилителя из стерео усилителя (иногда это нужно для постройки сабвуферов на два динамика). Для лучшего понимания ниже представлена схема.

Питаться все это будет от аккумулятора с напряжением 12В.

Для запитки можно использовать любой подходящий блок питания с напряжением на выходе 12В. Когда питание подано, платы сигнализируют об этом светодиодными индикаторами.

Схема запитана. На данном этапе можно подключать источник звука (смастфон) и динамик (или два динамика), чтобы протестировать работоспособность сборки. Более подробно о процессе сборке, а так же испытаниях низкочастотного фильтра, в этом видеоролике:

В динамике слышен только низкочастотный диапазон, собранный фильтр НЧ и схема усилителя сабвуфера работает. Регулировки тоже работают, справа уровень громкости баса, а слева частота среза.

Теперь давайте подключим усилитель Д класса на микросхеме ТРА3118. Подключение полностью аналогичное, схема представлена ниже:

И с этим усилителем схема прекрасно работает. По сути это уже готовый усилитель сабвуфера, который осталось установить в корпус и можно использовать, например, в автомобиле и все будет работать. В качестве усилителя можно использовать так же и усилитель на микросхеме TDA7377, просто он АВ класса и будет сильнее греться.
При напряжении питания 24В мощность усилитель на микросхеме ТРА3118 будет около 50Вт на нагрузку 4Ом. А напряжение питания фильтра сабвуфера ниже, и при питании 24В он может сгореть. Чтобы схема заработала при питании от 24В, то фильтр сабвуфера нужно запить через понижающий стабилизатор. Можно использовать L7812.

Это линейный понижающий стабилизатор с выходом 12В, который включается в разрыв по питанию фильтра сабвуфера.

Модули запитаны. ВНИМАНИЕ! На блоке питания напряжение 220В, не забывайте о правилах техники безопасности.

При питании 24В на минимальной громкости появился посторонний фоновый гул, чтобы от него избавиться, сборку необходимо будет установить в металлический корпус. Такой корпус послужит экраном и защитит фильтр и усилитель.

В такой схеме при напряжении питания 24В мощность усилителя будет около 50Вт. Можно также подключить этот усилитель, например, уже к имеющейся активной акустике и тем самым увеличить уровень баса.

Так же при желании можно собрать систему 2.1 и запитать ее от аккумулятора или блока питания с напряжением 12В.

В общем можно много чего собрать, это ограничено только вашей фантазией. На этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Расчет фильтров нижних и верхних частот

Практический расчет фильтров верхних и нижних частот (RC и LC фильтров)

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня, на сайте “Радиолюбитель”, на очередном занятии “Практикума начинающего радиолюбителя”, мы с вами рассмотрим порядок расчета фильтров верхних и нижних частот.
Из этой статьи вы узнаете, что фильтровать можно не только “базар”, но и многое другое. А изучив статью, научитесь самостоятельно проводить необходимые расчеты, которые вам помогут при конструировании или наладке различной аппаратуры (в статье много формул, но это не страшно, на самом деле все очень просто).

В первую очередь определимся, что понятия “верхние” и “нижние” частоты относятся к звукотехнике, а понятия “высокие” и “низкие” частоты – относятся к радиотехнике.

Фильтры верхних частот (далее ФВЧ) и фильтры нижних частот (далее ФНЧ) применяются во многих электрических схемах и служат для разных целей. Одним из ярких примеров их применения – цветомузыкальные устройства. К примеру, если вы наберете в поисковике “простая цветомузыка”, то заметите, насколько часто в результатах поиска показывается простейшая цветомузыка на одном транзисторе. Естественно, что такую конструкцию очень трудно назвать цветомузыкой. Зная что такое фильтры верхних и нижних частот и как они рассчитываются, вы сами, самостоятельно, можете переделать такую схему в более полноценное цветомузыкальное устройство. Простейший случай: вы берете две таких одинаковых схемы, но перед каждой ставите фильтр. Перед одним транзистором ФНЧ, а перед вторым – ФВЧ и у вас уже получается двухканальная цветомузыка. А если покумекать, то можно взять еще один транзистор и применив два фильтра (ФНЧ и ФВЧ или один средней частоты) получить третий канал – среднечастотный.

Прежде чем продолжить разговор о фильтрах коснемся очень важной их характеристики – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Что это за показатель.

АЧХ фильтра показывает как изменяется уровень амплитуду сигнала проходящего через этот фильтр в зависимости от частоты сигнала.
Т.е., на одной частоте входящего на фильтр сигнала уровень амплитуды такой-же как и на выходе, а для другой частоты, фильтр, оказывая сопротивление сигналу, ослабляет амплитуду входящего сигнала.

Тут же появляется еще одно определение: частота среза.

Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала до значения равного 0,7 от входного.
Например, если при частоте входного сигнала 1 кГц амплитудой 1 вольт на выходе фильтра амплитуда входного сигнала уменьшается до 0,7 вольта, то частота 1 кГц является частотой среза данного фильтра.

И последнее определение – крутизна частотной характеристики фильтра.

Крутизна частотной характеристики фильтра – это показатель того, на сколько резко изменяется амплитуда входного сигнала на выходе при изменении его частоты. Чем быстрее происходит спад АЧХ тем лучше.

Фильтры высоких и низких частот – это обыкновенные электрические цепи, состоящие из одного или нескольких элементов, обладающих нелинейной АЧХ, т.е. имеющих разное сопротивление на разных частотах.

Подытоживая вышесказанное можно сделать вывод, что по отношению к звуковому сигналу фильтры являются обыкновенными сопротивлениями, с тем лишь отличием, что их сопротивление меняется в зависимости от частоты звукового сигнала. Такое сопротивление называется реактивным и обозначается как Х.

Частотные фильтры изготавливают из элементов, обладающих реактивным сопротивлением – конденсаторов и катушек индуктивности. Рассчитать реактивное сопротивление конденсатора можно по нижеприведенной формуле:

Xc=1/2пFС где:
Хс – реактивное сопротивление конденсатора;
п – оно и в Африке “пи”;
F – частота;
С – емкость конденсатора.
То есть, зная емкость конденсатора и частоту сигнала, всегда можно определить какое сопротивление оказывает конденсатор для конкретной частоты.

А реактивное сопротивление катушки индуктивности вот этой формулой:

X_L=2пFL где:
X_L – реактивное сопротивление катушки индуктивности;
п – оно и в России “пи”;
F – частота сигнала;
L – индуктивность катушки

Частотные фильтры бывают нескольких типов:
– одноэлементные;
– Г- образные;
– Т – образные;
– П – образные;
– многозвенные.

В этой статье мы с вами не будем глубоко опускаться в теорию, а рассмотрим только поверхностные вопросы, и только фильтры состоящие из сопротивлений и конденсаторов (фильтры с катушками индуктивности трогать не будем).

Одноэлементный фильтр

— фильтр состоящий из одного элемента: или конденсатора (для выделения верхних частот), или катушки индуктивности (для выделения нижних частот).

Г – образный фильтр

Г-образный фильтр – это обыкновенный делитель напряжения с нелинейной АЧХ и его можно представить в виде двух сопротивлений:

С помощью делителя напряжения мы можем понизить входное напряжения до необходимого нам уровня.
Формулы для расчета параметров делителя напряжения:

Uвх=Uвых*(R1+R2)/R2
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)
Rобщ=R1+R2
R1=Uвх*R2/Uвых – R2
R2=Uвых*Rобщ/Uвх

К примеру, нам дано:
Rобщ=10 кОм, Uвх=10 В, на выходе делителя надо получить Uвых=7 В
Порядок расчета:
1. Определяем R2= 7*10000/10= 7000= 7 кОм
2. Определяем R1= 10*7000/7-7000= 3000= 3 кОм, или R1=Rобщ-R2=10-7= 3 кОм
3. Проверяем Uвых=10*7000/(3000+7000)= 7 В
Что нам и требовалось.
Знание этих формул необходимо не только для построения делителя напряжения с нужным выходным напряжением, но и для расчета фильтров нижних и верхних частот, в чем вы убедитесь ниже.

ВАЖНО!
Так как сопротивление нагрузки, подключаемой к выходу делителя, влияет на выходное напряжение, то значение R2 должно быть в 100 раз меньше входного сопротивления нагрузки. Если не нужна высокая точность, то это значение можно снизить до 10 раз.
Это правило также справедливо и при расчетах фильтров.

Чтобы из делителя напряжения на двух резисторах получить фильтр применяют конденсатор.
Как вы уже знаете, конденсатор обладает реактивным сопротивлением. При этом его реактивное сопротивление на высоких частотах минимально, а на низких частотах – максимально.

При замене сопротивления R1 на конденсатор (при этом на высоких частотах ток через него проходит беспрепятственно, а на низких ток через него не проходит) мы получим фильтр верхних частот.
А при замене конденсатором сопротивления R2 (при этом, обладая малым реактивным сопротивлением на высоких частотах, конденсатор шунтирует токи высокой частоты на землю, а на низких частотах его сопротивление велико и ток через него не проходит)- фильтр нижних частот.

Как я уже сказал, уважаемые радиолюбители, мы не будем глубоко нырять в дебри электротехники, иначе мы заблудимся и забудем о чем шла речь. Поэтому сейчас мы абстрагируемся от сложных взаимосвязей мира электротехники и будем рассматривать эту тему как частный случай, не привязанный ни к чему.
Но продолжим. Не так все плохо. Знание хотя бы элементарных вещей очень большое подспорье в радиолюбительской практике. Ну не рассчитаем мы точно фильтр, а рассчитаем с ошибкой. Ну и ничего страшного, в ходе настройки прибора мы подберем и уточним нужные номиналы радиодеталей.

Порядок расчета Г-образного фильтра верхней частоты

В приведенных примерах расчет параметров фильтра начинается с того, что нам известно общее сопротивление делителя напряжения, но наверное правильнее, при практическом расчете фильтров, определять сначала сопротивление резистора R2 делителя, значение которого должно быть в 100 раз меньше сопротивления нагрузки к которой фильтр будет подключен. А также следует не забывать что делитель напряжения тоже потребляет ток, так-что в конце, необходимо будет определить и рассеиваемую мощность на резисторах для их правильного выбора.

Пример: Нам надо рассчитать Г-образный фильтр верхней частоты с частотой среза 2 кГц.

Дано: общее сопротивление делителя напряжения – Rобщ= 5 кОм, частота среза фильтра – 2 кГц.
Входное напряжение принимаем за 1, а выходное за 0,7 (можно взять конкретные напряжения, но в нашем случае это никакой роли не играет).
Проводим расчет:
1. Так как мы подключили конденсатор вместо резистор R1, то реактивное сопротивление конденсатора Хс = R1.
2. Определяем по формуле делителя напряжения сопротивление R2:
R2=Uвых*Rобщ/Uвх =0,7*5000/1 = 3500= 3,5 кОм.
3. Определяем сопротивление резистора R1:
R1=Rобщ-R2= 5 – 3,5= 1,5 кОм.
4. Проверяем значение выходного напряжения на выходе фильтра при рассчитанных сопротивлениях:
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2) =1*3500/(1500+3500) = 0,7.
5. Определяем емкость конденсатора, которую выводим из формулы: Xc=1/2пFC=R1 —> C=1/2пFR1:
C=1/2пFR1 = 1/2*3,14*2000*1500 =5,3*10^-8 =0,053 мкФ.
Емкость конденсатора также можно определить по формуле: C=1,16/R2пF.
6. Проверяем частоту среза Fср по формуле, которую также выводим из выше приведенной:
Fср=1/2пR1C= 1/2*3,14*1500*0,000000053 = 2003 Гц.
Таким образом мы определили, что для построения фильтра высокой частоты с заданными параметрами (Rобщ= 5 кОм, Fср= 2000 Гц) необходимо применить сопротивление R2= 3,5 кОм и конденсатор емкостью С= 0,053 мкФ.
? Для справки:
? 1 мкФ = 10^-6 Ф = 0,000 001 Ф
? 0,1 мкФ = 10^-7 Ф = 0,000 000 1 Ф
? 0,01 мкФ = 10^-8 Ф = 0,000 000 01 Ф
и так далее…

Порядок расчета Г-образного фильтра нижней частоты

Пример: Нам надо рассчитать Г-образный фильтр нижней частоты с частотой среза 2 кГц.

Дано: общее сопротивление делителя напряжения – Rобщ= 5 кОм, частота среза фильтра – 2 кГц.
Входное напряжение принимаем за 1, а выходное за 0,7 (как и в предыдущем случае).
Проводим расчет:
1. Так как мы подключили конденсатор вместо резистор R2, то реактивное сопротивление конденсатора Хс = R2.
2. Определяем по формуле делителя напряжения сопротивление R2:
R2=Uвых*Rобщ/Uвх =0,7*5000/1 = 3500= 3,5 кОм.
3. Определяем сопротивление резистора R1:
R1=Rобщ-R2= 5 – 3,5= 1,5 кОм.
4. Проверяем значение выходного напряжения на выходе фильтра при рассчитанных сопротивлениях:
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2) =1*3500/(1500+3500) = 0,7.
5. Определяем емкость конденсатора, которую выводим из формулы: Xc=1/2пFC=R2 —> C=1/2пFR2:
C=1/2пFR2 = 1/2*3,14*2000*3500 =2,3*10^-8 =0,023 мкФ.
Емкость конденсатора также можно определить по формуле: C=1/4,66*R2пF.
6. Проверяем частоту среза Fср по формуле, которую также выводим из выше приведенной:
Fср=1/2пR2C= 1/2*3,14*3500*0,000000023 = 1978 Гц.
Таким образом мы определили, что для построения фильтра нижней частоты с заданными параметрами (Rобщ= 5 кОм, Fср= 2000 Гц) необходимо применить сопротивление R1= 1,5 кОм и конденсатор емкостью С= 0,023 мкФ.

Т – образный фильтр

Т- образные фильтры высоких и низких частот, это те же Г- образные фильтры, к которым добавляется ещё один элемент. Таким образом, они рассчитываются так же как делитель напряжения, состоящий из двух элементов с нелинейной АЧХ. А после, к расчётному значению суммируется значение реактивного сопротивления третьего элемента. Другой, менее точный способ расчёта Т-образного фильтра начинается с расчёта Г-образного фильтра, после чего, значение «первого» рассчитанного элемента Г-образного фильтра увеличивается, или уменьшается в два раза – «распределяется» на два элемента Т-образного фильтра. Если это конденсатор, то значение ёмкости конденсаторов в Т-фильтре увеличивается в два раза, а если это резистор или дроссель, то значение сопротивления, или индуктивности катушек уменьшается в два раза:

П – образный фильтр

П-образные фильтры, это те же Г- образные фильтры, к которым добавляется ещё один элемент впереди фильтра. Всё, что было написано для Т-образных фильтров справедливо для П-образных.
Как и в случае с Т-образными фильтрами, для расчёта П-образных используют формулы делителя напряжения, с добавлением дополнительного шунтирующего сопротивления первого элемента фильтра. Другой, менее точный способ расчёта П-образного фильтра начинается с расчёта Г-образного фильтра, после чего, значение «последнего» рассчитанного элемента Г-образного фильтра увеличивается, или уменьшается в два раза – «распределяется» на два элемента П-образного фильтра. В противоположность Т-образному фильтру, если это конденсатор, то значение ёмкости конденсаторов в П-фильтре уменьшается в два раза, а если это резистор или дроссель, то значение сопротивления, или индуктивности катушек увеличивается в два раза.

Как правило, одноэлементные фильтры применяют в акустических системах. Фильтры верхних частот обычно делают Т-образными, а фильтры нижних частот П-образными. Фильтры средних частот, как правило, делают Г-образными, их двух конденсаторов.

Для написания статьи, кроме всего прочего использовались материалы с сайта www.meanders.ru, автором и владельцем которого является Александр Мельник, за что ему большое и бесконечное (меандровское) спасибо.

Фильтр высоких частот (ФВЧ) и фильтр низких частот (ФНЧ/LPF) в ламповом усилителе

Очень хотелось перейти к теме ламповых усилителей, их простой и увлекательной схемотехнике, особенностям окружения для них и прочим моментам, но я понял, что если начать рассказ сразу с какого то интересного, но произвольного момента, то без некоторых теоретических знаний читатель может не повысить грамотность, а все так же тыкать палкой дохлую белку (менять конденсаторы и резисторы методом тыка), в надежде, что белка оживет.

Если посмотреть на многие схемы ламповых усилителей, то глаз без труда увидит цепочки фильтров. Они могут образовываться там, где начинающий разработчик о них и не помышлял, это же касается и местной обратной связи.

Поэтому сегодня генеральная репетиция перед основным вхождением в тему лампового усиления – будем разбираться с фильтрами.

В схемотехнике часто применяется фильтр низких частот и фильт высоких частот. Эта тема уже понималась в материалах по ЦАП на сайте, но там была своя специфика.

Первое – название фильтра не то, чем кажется.

Например, ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ занимется тем, что… обрезает ВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ.

Или другими словами, он пропускает низкие частоты до определенной частоты, выше которой – все, проход закрыт. По английски этот фильтр называется более вразумительно – LPF – Low Pass Filter – фильтр пропускающий низкие частоты.

Т.е. если в вашей схеме нужно ограничить частотный диапазон по верхнему краю, например от 0 до 35000 гц, то вам нужен фильтр Низких Частот (ФНЧ), который вы настроите на граничную частоту в 35000 Гц.

Другая ситуация, когда вы хотите отрезать низкие частоты – тогда вам нужно использовать Фильтр Высоких Частот (ФВЧ).

ФВЧ пропускает все частоты от нижней заданной частоты и выше.

Например, нужно чтобы диапазон частот устройства начинался с 20 Гц и далее.

Вам нужен ФВЧ фильтр, который отрежет все нижние чатсоты от 0 до Гц, а все что выше 20 Гц не тронет.

Фильт высоких частот и низких образуется на схеме из связки резистор и конденсатор, что связано с особенностями реагирования элементов на определенные частоты.

В фильтре высоких частот сперва стоит конденсатор, а затем резистор, смотрите картинку.

напомню, в ФВЧ вы указываете, что срезать все, что ниже указанной частоты среза. Например 20 гц, и все что ниже не пройдет, а все что выше 20 гц – пройдет. Т.е. вы срезаете “низы” фильтром высоких частот.

Фильтр низких частот (ФНЧ) так же состоит только из резистора и конденсатора, но они меняются местами, смотрите картинку ниже:

И соответственно вы задаете верхнюю границу среза, т.е. срезаете “верха”, а все что ниже – остается. Например вы задаете 35 кГц, и все что выше – не пройдет, а все что ниже – останется.

Ну и логично, что чтобы ограничить диапазон устройства параметрами 20 Гц – 20 кГц понадобится использовать оба фильтра порезав частоты и сверху (ФНЧ) и снизу (ФВЧ).

Для простоты запоминания – ФНЧ – срезает “верха”, ФВЧ – срезает “низы”.

Такая вверх тормашками логика.

Теперь используем немного математики, чтобы определить, какие номиналы резастора и конденсатора нужны, чтобы получить необходимую частоту среза.

Так как в схемах ламповых усилителей вы чаще всего увидите фильтры высоких частот, то давайте посмотрим на какую-то подобную схему и определим, на какой частоте срез задал неизвестный нам автор схемы (схема взята из интернет).

Честно, чтобы подобрать схему для демонстрации примера мне пришлось потратить время, ибо в 9 из 10 случаев авторы схем, как я понял, вообще не понимали смысл используемых номиналов и значения фильтра были просто бредовый.

Посмотрите внимательно на кусочек схемы, видите ли вы ФВЧ фильтр? Если пока не смогли ее определить, то ниже я выделил ФВЧ заключив в красный квадрат.

Давайте определим какие частоты срезает этот фильтр. Так как это ФВЧ (фильтр высоких частот), то он срезает “низы”. Соответственно наверняка это какое-то небольшое значение в герцах, до 20-30.

Давайте проверим.

Все формулы расчитываются в основных значениях, т.е в Омах, Фарадах, Герцах, а не мега, кило, микро и тд.

Поэтому прежде всего нам понадобится знание как перевести микро/пико/нано/кило, мега в адекватные для расчета значения.

Итак

1 пикофарад = 0,000000000001 Ф или 1 * 10 в -12 степени

1 нанофарад = 0,000000001 Ф или 1 * 10 в -9 степени

1 микрофарад = 0,000001 Ф или 1 * 10 в -6 степени

1 мегаом = 1000000 Ом

1кОм = 1000 Ом

1 кГц = 1000 Гц.

Давайте для примера 100 микрофарад преобразуем в фарады.

1 Фарад – это 10 в -6 фарад

Можно посчитать попроще или посложнее. Если попроще, то 100 – это два нуля, то есть +2 степень, а у фарада -6 степень, значит +2-6=-4 степень. Т.е. наше число будет иметь 4 цифры после запятой.

Соответственно

100 мф превращаются в 0,0001(00) Ф.

Посчитайте количество цифр после запятой – оно равно 4.

Иначе считаем так – умножаем 100 мФ на число в котором 6 цифр после запятой, последняя не ноль:

100 * 0,000001= 0,0001 Ф

Хорошо, основы дворовой математики закрепим чуть ниже.

Формула по которой считается частота среза следующая:

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

R – номинал резистора фильтра

С- номинал конденсатора фильтра

Пи – число равно 3,14, соответственно 2Пи = 2*3,14 = 6,28

Смотрим на схему, в аудиофильный красный квадрат .

Значение конденсатора 0,1.

В схемах (в отличие от формул) принято указывать значения в микрофарадах, если не указано никаких пояснений.

Следовательно значение конденсатора 0,1 мФ.

Резистор установлен с номиналом 68К.

Переведм значения для расчета.

0,1 мФ = -1 степень + -6 степень = -7 степень = пишем 7 значений после запятой = 0,0000001 Ф

68К – это 68 кОм

1кОм = 1000 Ом, следовательно

68 КОМ = 68*1000 = 68000 Ом.

Теперь считаем частоту среза.

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1 / 6,28 * 68000 * 0,0000001 = 23 Гц

Итого, автор схемы установил частоту среза ФВЧ на значении 23 Гц.

Т.е. все частоты, что ниже 23 Гц будут отрезаны, а все что выше 23 Гц спокойно будут проходить дальше.

Давайте так же посмотрим промышленную, как я понял, схему.

В ней значение конденсатора такое же, но значение резистора большее = 100 к.

Посчитаем, на какую частоту среза настроен этот ФВЧ.

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/6.28 * 100000 * 0.0000001 = 16 Гц

В завершении проанализируем еще одну схему лампового усилителя с точки зрения используемых ФВЧ фильтров.

Смотрим рисунок ниже.

Это схема усилителя на популярных лампах 6н3п + 6п14п.

Поищем цепочки фильтров.

Один фильтр образуется на входе из сочетания входного конденсатора С7 (6,8 мФ) отрезающего постоянный ток, чтобы он не попал на сетку лампы и регулятора громкости R12 (22K).

Понятно, что меняя сопротивление переменного резистора R12 и частота среза будет изменяться – это мы тоже ниже исследуем.

Второй ФВЧ фильтр установлен на входе ко второму каскаду на 6П14П.

С него и начнем.

Конденсатор имеет номинал 0,47 мФ, это -2 степень (два числа после запятой). Для перевода в Фарад, который -6 степень получим -8 степень, или 8 значений после запятой = 0,00000047 Ф

Резистор 220 К = 220000 Ом

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/ 2Пи *220000 * 0,00000047 =1/6,28*220000*0,00000047=1,5 Hz

Т.е. на входе лампы 6п14п происходит срез низких частот начиная с 1,5 Гц.

Мне это кажется как-то странным, но я и не специалист в ламповой схемотехнике.

Ладно, посмотрим, что происходит на входе усилителя, где так же срезается звуковой диапазон.

С = 6,8 мФ в микрофарадах получится

Мф = -6 степень Фарад

т.е. 6 значений после запятой для целого числа (6,8 = 6 целое, 8 дробное) + далее идут дробные.

Итого 6,8 мФ= 0,0000068

или если кому проще, для перевода из мФ в Ф, умножьте микрофарады на 0,000001 (6 чисел после запятой).

6,8мф = 6,8*0,000001 = 0,0000068 Ф

Резистор 22К = 22000 Ом

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/ 2Пи * 22000 * 0,0000068 Ф = 1/6.28*22000*0,0000068 = 1 Hz

Хорошо, переменный регулятор при значении сопротивления в 22К, задает фильтру значение в 1 Гц.

А если мы крутим ручку громкости на 50%, сделав сопротивление меньше – 11 кОм, что произойдет с фильтром?

Fсреза = 1/ 2Пи * 11000 * 0,0000068 = 1/6.28*11000*0,0000068 = 2 Hz

И если выкрутим ручку громкости полностью, сделав сопротивление, пусть 1 кОм = 1000 Ом.

Fсреза = 1/ 2Пи * 1000 * 0,0000068 = 1/6.28*11000*0,0000068 = 23 Hz

Итого мы наблюдаем картину, что на входе фильтр плавает в диапазонах 1-23Гц, а на входе второй лампы пытается ограничивать на рубеже 1,5 Гц и ниже. Чтобы понять логику этого наверное нужно вникать в схему глубже, мы же пока лишь исследуем фильтры.

Для чего вообще нужно ограничивать диапазон ответ следующий, в конструкции используются трансформаторы с не бесконечными характеристиками, и зная, что например ваш выходной трансформатор умеет работать только от 30 Гц, нет никакого смысла гонять по схеме частоты, которые ваш усилитель не сможет воспроизвести.

Поэтому исходя их характеристик трансформатора ограничивают диапазон его возможностями. В схеме выше, так, навскидку, я логики такого ФВЧ не понял. Если среди читающих этот материал есть люди собаку съевшие на ламповом усилителе – подключайтесь к обсуждению, делитесь своими знаниями.

После этого материала вам вероятно несложно будет самостоятельно определить используется ли фильтр частот в схеме и на какой срез он рассчитан.

А раз так, то самое время перейти к теме ламповой схемотехники и самостоятельной разработки схемы лампового усилителя, после обзорного материала.

До новых встреч.

6,617 total views, 4 views today

проектирование схемы и подбор основны элементов

Фильтры частот – это простейшие электрические цепи, АЧХ которых нелинейная. Сопротивление в таких цепях изменяется при изменении частоты сигнала. Состоять такая цепь может из одного или нескольких элементов цепи.

Краткое содержимое статьи:

Пассивные и активные фильтры низких частот
Пассивный фильтр состоит только из резисторов или конденсаторов. Они не требуют энергии для выполнения возложенных на них задач. Почти все пассивные фильтры обладают линейной характеристикой.
Активный фильтр включает в свою конструкцию транзистор или операционный усилитель. АЧХ такого фильтра благоприятнее чем у пассивного.
Спрашивается, зачем и где они применяются? У фильтров принцип действия следующий: поступающий на них сигнал фильтруется, и остаются только те сигналы, которые необходимы. Одной из областей применения таких устройств является электронная цветомузыка.
Характеристики частотных фильтров
Частота, при которой понижается амплитуда выходного сигнала, до значения 0,7 от входного, называется частотой среза.
Крутизна частотной характеристики фильтра. Она показывает, как резко меняется сигнал после того, как прошел фильтр. Чем больше будет угол, тем лучше.

Виды частотных фильтров
Одноэлементные;
Г,Т,П-образные;
Многозвездные. Они представляют собой последовательно подключенные Г-образные.
В данной статье будут рассмотрены схемы и устройство фильтра нижних частот.
Простейшие фильтр нижних частот своими руками
В домашних условиях вполне можно изготовить данное устройство и по качеству оно будет не сильно уступать магазинному аналогу. К тому же, дешевизна и простота конструкции окупит все вложенные усилия.
Какими будут характеристики
Частота среза – 300 Гц. Пропускаемый сигнал не будет выше данного показателя;
Требуемое напряжение –9/30 В;
Потребление электричества – 7 мА.
Что нужно для изготовления фильтра низких частот:
DD1 BA4558;
VD1 Д814Б;
C1, C2 10 мкФ;
С3 0,033 мкФ;
С4 220 нф;
С5 100 нф;
С6 100 мкФ;
С7 10 мкФ;
С8 100 нф;
R1, R2 15 кОм;
R3, R4 100 кОм;
R5 47 кОм;
R6, R7 10 кОм;
R8 1 кОм;
R9 100 кОм — переменный;
R10 100 кОм;
R11 2 кОм.
Инструкция, как правильно сделать простой фильтр
В схеме включающей в себя резистор R11, конденсатор С6, и стабилизатор VD1 собран блок, который стабилизирует входящее напряжение. Если подаваемое напряжение меньше 15 В резистор нужно удалить из схемы.
Элементы R1, R2, С1, С2 являются сумматорами входящих сигналов. Если на фильтр подается моносигнал, сумматор можно удалить. После этого необходимо подключить источник сигнала напрямую к следующему (второму) контакту.

DD1.1 является усилителем поступаемого сигнала, а на DD1.2 расположено устройство, не пропускающее высокие сигналы.
Далее фильтром входного сигнала служит R7, а R9, R10, С8 является регулятором звука. Его можно отключать, при этом С7 будет снят со звуковой дорожки.
Изготовление печатной платы
Мы описали схему, которую нужно использовать, теперь изготовим важнейший элемент, а именно печатную плату.
Необходимо взять стеклотекстолит, ширина которого должна быть 2 см, а длина 4 см. Для начала обезжирьте поверхность и тщательно ее отшлифуйте. Затем распечатав представленную ниже схему, перенесите ее на кусочек стеклотекстолита, соблюдая габариты. Рекомендуется использовать метод ЛУТ.
Обратите внимание!
Рисунок должен полностью отпечататься на поверхности заготовки, если не получилось сделать это с первого раза, можно дорисовать прерванные дорожки о руки.
Приготавливаем раствор, в котором будем травить стеклотекстолит. Вам необходимо взять 2 столовые ложки лимонной кислоты и 6 столовых ложек перекиси водорода и тщательно их перемешать. Для ускорения процесса перемешивания добавляем в щелочной раствор щепотку соли. Соль не участвует в процессе растворения.
Нужно поместить приготовленную заготовку с начертанными дорожками прямо в полученный раствор. Перед погружением убедитесь, что рисунок дорожки хорошо прорисован, иначе вы испортите поверхность.
Подождав немного убедитесь, что весь лишний медный слой растворился. Затем необходимо достать заготовку из емкости и промыть ее в проточной воде. При помощи ацетона удаляем чернила с платы.
Сборка
Для того, чтобы не ошибиться во время спаивания желательно использовать схему. Последовательно и аккуратно припаивайте все элементы.
Обратите внимание!
Заключение
Описанная выше схема должна заработать после первого включения. Никаких настроек фильтр не требует. Основные проблемы, которые могут возникнуть при запуске, связанны с некачественной сборкой или спайкой, в редких случаях с неисправностью применяемых элементов схемы.
В некоторых случаях звук не идет после включения фильтра. Чтобы исправить проблему требуется покрутить ручку переменного резистора. Если не помогло, проверьте все соединения в местах спайки.
Фото фильтров низких частот
Обратите внимание!
Также рекомендуем просмотреть:
Помогите проекту, поделитесь в соцсетях 😉
Фильтр низких частот — это… Что такое Фильтр низких частот?
Фильтр ни́жних часто́т (ФНЧ) — электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (или подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.
В отличие от него, фильтр высоких частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.
Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д.
Примеры фильтров нижних частот

Для звуковых волн твёрдый барьер играет роль фильтра нижних частот — например, в музыке, играющей в другой комнате, легко различимы басы, а высокие частоты отфильтровываются (звук «оглушается»). Точно так же ухом воспринимается музыка, играющая в закрытой машине.
Электронные фильтры нижних частот используются в сабвуферах и других типах звуковых колонок, в системах передачи данных для отфильтровки высокочастотных помех, а также имеют большое число других применений.
Радиопередатчики используют низкочастотные фильтры для блокировки гармонических излучений, которые могут взаимодействовать с низкочастотным полезным сигналом.
Механические низкочастотные фильтры часто используют в контурах непрерывных систем управления в качестве корректирующих звеньев.
В обработке изображений низкочастотные фильтры используются для очистки картинки от шума и создания спецэффектов, а также в сжатии изображений.
Идеальный фильтр нижних частот
Идеальный фильтр нижних частот (sinc-фильтр) полностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления и полосы пропускания не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически с помощью умножения входного сигнала на прямоугольную функцию в частотной области, или, что даёт тот же эффект, свёртки сигнала во временно́й области с sinc-функцией.
Однако такой фильтр практически нереализуем для большинства сигналов, так как sinc-функция имеет ненулевые значения для всех моментов времени вплоть до бесконечности. Его можно использовать только для уже записанных цифровых сигналов либо для идеально периодических сигналов.
Реальные фильтры для приложений реального времени могут лишь приближаться к идеальному фильтру.
Для RC фильтра, применяемого на линейном входе компьютера, обычно используются переменный резистор и конденсатор емкостью около 0,33 мкФ.
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation. 2010.
Фильтр для сабвуфера своими руками

Психоакустика (наука, изучающая звук и его влияние на человека) установила, что человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. При том, что диапазон 16-20 Гц (низкие частоты), воспринимается уже не самим ухом, а органами осязания.
Многие меломаны сталкиваются с тем, что большинство поставляемых акустических систем не удовлетворяет их потребности в полной мере. Всегда находятся мелкие недоработки, неприятные нюансы и т.п., которые побуждают собирать колонки с усилителями своими руками.
Еще одна категория людей, которые предпочитают делать звуковое оборудование самостоятельно – автовладельцы. Сборка и запуск мощной акустической системы в машине – непростое и весьма дорогостоящее мероприятие.
Возможны и другие причины сборки сабвуфера (профессиональный интерес, хобби и т.п).
Сабвуфер (от англ. «subwoofer») – низкочастотный динамик, который может воспроизводить звуковые колебания в диапазоне 5-200 Гц (в зависимости от типа конструкции и модели). Может быть пассивным (использует выходной сигнал с отдельного усилителя) или активным (оснащается встроенным усилителем сигнала).
Низкие частоты (басы) в свою очередь можно разделить на три основные подвида:
Верхние (англ. UpperBass) – от 80 до 150-200 Гц.
Средние (англ. MidBass / мидбасы) – от 40 до 80 Гц.
Глубокие или подбасы (англ. SubBass) – все что ниже 40 Гц.
Функции и принцип работы фильтров для сабвуфера
Фильтры частот применяются как для работы активных сабвуферов, так и пассивных.
Преимущества активных низкочастотных динамиков заключается в следующем:
Активный усилитель сабвуфера не нагружает дополнительно акустическую систему (так как питается отдельно).
Входной сигнал может фильтроваться (исключаются посторонние шумы от воспроизведения высоких частот, работа устройства концентрируется только на том диапазоне, в котором динамик обеспечивает наилучшее качество передачи колебаний).
Усилитель при правильном подходе к конструкции может гибко настраиваться.
Исходный спектр частот можно разделить на несколько каналов, с которыми можно уже работать по-отдельности – низкие частоты (на сабвуфер), средние, высокие, а иногда и сверхвысокие частоты.
Виды фильтров для низких частот (НЧ)
По реализации
Аналоговые схемы.
Цифровые устройства.
Программные фильтры.
По типу
Активный фильтр для сабвуфера (так называемый кроссовер, обязательный атрибут любого активного фильтра – дополнительный источник питания)
Пассивный фильтр (такой фильтр для пассивного сабвуфера лишь отсеивает необходимые низкие часты в заданном диапазоне, не усиливая сигнала).
По крутизне спада
Первого порядка (6 дБ/октав.)
Второго порядка (12 дБ/октав.)
Третьего порядка (18 дБ/октав.)
Четвертого порядка (24 дБ/октав.)
Основные характеристики фильтров:
Полоса пропускания (диапазон пропускаемых частот).
Полоса задерживания (диапазон существенного подавления сигнала).
Частота среза (переход между полосами пропускания и задерживания происходит. нелинейно. Частота, на которой пропускаемый сигнал ослабляется на 3 дБ, называется частотой среза).
Дополнительные параметры оценки фильтров акустических сигналов:
Крутизна спада АХЧ (Амплитудно-Частотная Характеристика сигнала).
Неравномерность в полосе пропускания.
Резонансная частота.
Добротность.
Линейные фильтры электронных сигналов различаются между собой по типу кривых (зависимости показателей) АЧХ.
Разновидности таких фильтров чаще всего называются по фамилиям ученых, выявившим эти закономерности:
Фильтр Баттерворта (гладкая АЧХ в полосе пропускания),
Фильтр Бесселя (характерна гладкая групповая задержка),
Фильтр Чебышёва (крутой спад АЧХ),
Эллиптический фильтр (пульсации АЧХ в полосах пропускания и подавления),
И другие.
Простейший НЧ фильтр для сабвуфера второго порядка выглядит следующим образом: последовательно подключенная к динамику индуктивность (катушка) и параллельно – емкость (конденсатор). Это так называемый LC-фильтр (L — обозначение индуктивности на электрических схемах, а C – емкости).
Принцип работы заключается в следующем:
Сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности).
Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала и поэтому высокочастотные колебания затухают на входе динамика.
Такой тип фильтров – пассивный. Более сложные в реализации – активные фильтры.
Как сделать простой фильтр для сабвуфера своими руками
Как и было сказано выше, самые простые в конструкции – пассивные фильтры. Они имеют в составе всего несколько элементов (количество зависит от требуемого порядка фильтра).
Собрать свой собственный фильтр НЧ можно по готовым схемам в сети или по индивидуальным параметрам после подробных расчетов требуемых характеристик (для удобства можно найти специальные калькуляторы для фильтров разных порядков, с помощью которых можно быстро рассчитать параметры составляющих элементов – катушек, емкостей и т.п.).
Для активных фильтров (кроссоверов) можно использовать специализированное программное обеспечение, например, такое как «Crossover Elements Calculator».
В некоторых случаях при проектировании схемы может понадобиться фильтр-сумматор.
Здесь оба канала звука (стерео), например, после выхода с усилителя и т.п., необходимо сначала отфильтровать (оставить только НЧ), а потом объединить в один с помощью сумматора (так как сабвуфер чаще устанавливается всего один). Или наоборот, сначала суммировать, а затем отфильтровать НЧ.
В качестве примера возьмем простейший пассивный НЧ фильтр второго порядка.
Если сопротивление динамика будет 4 Ом, предполагаемая частота среза – 150 Гц, то для типа фильтрации по Баттерворту нужны будут:
L (индуктивность) = 6.003 mH
С (емкость) = 187.5 µF
Если конденсатор можно подобрать под требуемый параметр из готовых или собрать блок из нескольких параллельно соединенных, то катушку лучше всего намотать своими руками. Для этого необходимо предварительно рассчитать параметры индукции с помощью тех же готовых калькуляторов.
Так, что получения катушки с индуктивностью 6 мГн, из обмоточного медного провода диаметром 1 мм, понадобится стержень диаметром 1 см и длиной 6 см. На выходе получится бобина из 1002 витков. Проволока длиной 84 метра будет уложена в 17 слоев. Итоговые габариты – диам. 44 мм, длина – 6 см.
Катушка и конденсатор подключаются к динамику по схеме, обозначенной выше, и мы получаем сабвуфер с пассивным НЧ фильтром.
Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 3 / Хабр
Краткое введение

Продолжаю ~~спамить~~ писать на тему операционных усилителей. В этой статье постараюсь дать обзор одной из важнейших тем, связанной с ОУ. Итак, добро пожаловать, активные фильтры.

Обзор темы

Возможно, Вы уже сталкивались с моделями RC-, LC- и RLC-фильтров. Они вполне подходят для большинства задач. Но для некоторых целей очень важно иметь фильтры с более плоскими характеристиками в полосе пропускания и более крутыми склонами. Вот тут нам и нужны активные фильтры.
Для освежения в памяти, напомню, какие бывают фильтры:
Фильтр Нижних Частот (ФНЧ) — пропускает сигнал, который ниже определенной частоты (ее еще именуют частотой среза). Википедия
Фильтр Высоких Частот (ФВЧ) — пропускает сигнал выше частоты среза. Википедия
Полосовой Фильтр — пропускает только определенный диапазон частот. Википедия
Режекторный Фильтр — задерживает только определенный диапазон частот. Википедия
Ну еще немного лирики. Посмотрите на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) ФВЧ. На этом графике ничего интересного пока не ищите, а просто обратите внимание на участки и их названия:

Самые банальные примеры активных фильтров можно подсмотреть здесь в разделе «Интеграторы и дифференциаторы». Но в данной статье эти схемы трогать не будем, т.к. они не очень эффективны.
Выбираем фильтр

Предположим, что Вы уже определились с частотой, которую хотите фильтровать. Теперь нужно определиться с типом фильтра. Точнее нужно выбрать его характеристику. Иными словами, как фильтр будет себя «вести».
Основными характеристиками являются:
Фильтр Баттерворда — обладает самой плоской характеристикой в полосе пропускания, но имеет плавный спад.
Фильтр Чебышева — обладает самым крутым спадом, но у него самые неравномерные характеристики в полосе пропускания.
Фильтр Бесселя — имеет хорошую фазочастотную характеристику и вполне «приличный» спад. Считается лучшим выбором, если нет специфического задания.
Еще немного информации

Предположим, и с этим заданием вы справились. И теперь можно смело приступить к расчетам.
Есть несколько методов расчета. Не будем усложнять и воспользуемся самым простым. А самый простой — это «табличный» метод. Таблицы можно найти в соответствующей литературе. Чтобы Вы долго не искали, приведу из Хоровица и Хилла «Искусство Схемотехники».
Для ФНЧ:
Скажем так, это все Вы могли бы найти и прочитать и в литературе. Перейдем конкретно к проектированию фильтров.
Расчет

В данном разделе попытаюсь кратко «пробежаться» по всем типам фильтров.
Итак, задание # 1. Построить фильтр низких частот второго порядка с частотой среза 150 Гц по характеристике Баттерворда.
Приступим. Если мы имеем фильтр n-ного четного порядка, это означает, что в нем будет n/2 операционников. В данном задании — один.
Схема ФНЧ:

Для данного типа расчета берется во внимание, что R1 = R2, C1 = C2.
Смотрим в табличку. Видим, что К = 1.586. Это нам пригодится чуть позже.
Для фильтра низких частот справедливо:
, где, разумеется,
— это частота среза.
Сделав подсчет, получаем . Теперь займемся подбором элементов. С ОУ определились — «идеальный» в количестве 1 шт. Из предыдущего равенства можно предположить, что нам не принципиально, какой элемент выбирать «первым». Начнем с резистора. Лучше всего, чтоб его значение сопротивления были в пределах от 2кОм до 500кОм. На глаз, пусть он будет 11 кОм. Соответственно, емкость конденсатора станет равной 0.1 мкФ. Для резисторов обратной связи значение R берем произвольно. Я обычно беру 10 кОм. Тогда, для верхнего значение К возьмем из таблицы. Следовательно, нижний будет иметь значение сопротивления R = 10 кОм, а верхний 5.8 кОм.
Соберем и промоделируем АЧХ.
Задание # 2. Построить фильтр высоких частот четвертого порядка с частотой среза 800 Гц по характеристике Бесселя.
Решаем. Раз фильтр четвертого порядка, то в схеме будет два операционника. Тут все совсем не сложно. Мы просто каскадно включаем 2 схемы ФВЧ.
Сам фильтр выглядит так:

Фильтр же четвертого порядка выглядит:

Теперь расчет. Как видим, для фильтра четвертого порядка у нас аж 2 значения К. Логично, что первое предназначается для первого каскада, второе — для второго. Значения К равны 1.432 и 1.606 соответсвенно. Таблица была для фильтров низких частот (!). Для расчета ФВЧ надо кое-что изменить. Коэффициенты К остаются такими же в любом случае. Для характеристик Бесселя и Чебышева изменяется параметр
— нормирующая частота. Она будет равна теперь:

Для фильтров Чебышева и Бесселя как для нижних частот, так и для высоких справедлива одна и та же формула:

Учтите, что для каждого отдельного каскада придется считать отдельно.
Для первого каскада:

Пусть С = 0.01 мкФ, тогда R = 28.5 кОм. Резисторы обратной связи: нижний, как обычно, 10 кОм; верхний — 840 Ом.
Для второго каскада:

Емкость конденсатора оставим неизменной. Раз С = 0.01 мкФ, то R = 32 кОм.
Строим АЧХ.
Для создания полосового или режекторного типа фильтров можно каскадно соединить ФНЧ и ФВЧ. Но такими типами, зачастую, не пользуются из-за плохих характеристик.
Для полосовых и режекторных фильтров также можно использовать «табличный метод», но тут немного другие характеристики.
Приведу сразу табличку и немного ее объясню. Чтоб сильно не растягивать — значения взяты сразу для полосового фильтра четвертого порядка.

a1 и b1 — расчетные коэффициенты. Q — добротность. Это новый параметр. Чем значение добротности больше — тем более «резким» будет спад. Δf — диапазон пропускаемых частот, причем выборка идет на уровне -3 дБ. Коэффициент α — еще один расчетный коэффициент. Его можно найти используя формулы, которые довольно легко найти в интернете.
Ну ладно, хватит. Теперь рабочее задание.
Задание # 3. Построить полосовой фильтр четвертого порядка по характеристике Баттерворда с центральной частотой 10 кГц, шириной пропускаемых частот 1 кГц и коэффициентом усиления в точке центральной частоты равным 1.
Поехали. Фильтр четвертого порядка. Значит два ОУ. Типовую схему приведу сразу с расчтными элементами.

Для первого фильтра центральная частота определяется как:

Для второго фильтра:

Конкретно в нашем случае, опять же из таблицы, определяем, что добротность Q = 10. Рассчитываем добротность для фильтра. Причем, стоит отметить, что добротность обоих будет равна.

Поправка усиления для области центральной частоты:

Финальная стадия — расчет компонентов.
Пусть конденсатор будет равен 10 нФ. Тогда, для первого фильтра:

В том же порядке, что и (1) находим R22 = R5 = 43.5 кОм, R12 = R4 = 15.4 кОм, R32 = R6 = 54.2 Ом. Только учтите, что для второго фильтра используем
Ну и на последок, АЧХ.
Следующая остановка — полосно-заграждающие фильтры или режекторные.
Тут есть несколько вариаций. Наверное, самый простой — это фильтр Вина-Робинсона (англ. Active Wien-Robinson Filter). Типовая схема — тоже фильтр 4го порядка.

Наше последнее задание.
Задание # 4. Построить режекторный фильтр с центральной частотой 90 Гц, добротностью Q = 2 и коэффициентом усиления в полосе пропускания равным 1.
Прежде всего, произвольно выбираем емкость конденсатора. Допустим, С = 100 нФ.
Определим значение R6 = R7 = R:

Логично, что «играясь» с этими резисторами, мы можем изменять диапазон частот нашего фильтра.
Далее, нам надо определить промежуточные коэффициенты. Находим их через добротность.

Выберем произвольно резистор R2. В данном конкретном случае, лучше всего, чтобы он равнялся 30 кОм.
Теперь можем найти резисторы, которые будут регулировать коэффициент усиления в полосе пропускания.

И на последок, необходимо произвольно выбрать R5 = 2R1. У меня в схеме эти резисторы имеют значение 40 кОм и 20 кОм соответственно.
Собственно, АЧХ:
Практически конец

Кому интересно узнать немного больше, могу посоветовать почитать Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».
Также, D. Johnson «A handbook of active filters».
Википедия
Также, кому не очень нужны расчеты, а нужны именно сами фильтры, могу посоветовать полезный софт
P.S. Добавлю очень полезную ссылку и ее зеркало. За линк спасибо spiritus_sancti
Пассивный фильтр нижних частот
Это руководство посвящено пассивному фильтру нижних частот , широко используемому термину в электронике. Вы будете слышать или использовать этот «технический» термин почти каждый раз во время учебы или в своей профессиональной карьере. Давайте разберемся, в чем особенность этого технического термина.
Что это, Схема, формулы, кривая?
Начнем с названия. Вы знаете, что такое пассивное ? Что такое низкий ? Что такое проходит , а что Фильтр ? Если вы понимаете значения этих четырех слов « Passive Low Pass Filter », вы поймете 50% « Passive Low Pass Filter », остальные 50% мы изучим дальше.
« Пассивный » — в словаре это означает разрешение или принятие того, что происходит или что делают другие, без активного ответа.
« Фильтр низких частот » — это означает пропуск того, что составляет low , что также означает блокировку того, что high . Он действует так же, как традиционный фильтр для воды, который есть у нас дома / в офисе, который блокирует загрязнения и пропускает только чистую воду.
Фильтр нижних частот пропускает низкую частоту и блокирует верхнюю .Традиционная частота пропускания фильтра нижних частот в диапазоне от 30 до 300 кГц (низкая частота) и блокировка выше этой частоты, если используется в аудио приложении.
С фильтром нижних частот связано много вещей. Как было описано ранее, он отфильтрует нежелательные элементы (сигнал) синусоидального сигнала (AC) .
В качестве пассивных средств мы обычно не применяем внешний источник к отфильтрованному выходному сигналу, это может быть сделано с использованием пассивных компонентов, которые не требуют мощности, поэтому отфильтрованный сигнал не усиливается, амплитуда выходного сигнала не будет увеличиваться ни при каких условиях. Стоимость.
Фильтры нижних частот сделаны с использованием комбинации резистора и конденсатора (RC) для фильтрации до 100 кГц, но для остальных 100 кГц — 300 кГц используются резистор, конденсатор и индуктор (RLC).
Вот схема на этом изображении:

Это RC-фильтр. Обычно входной сигнал подается на эту комбинацию последовательного резистора и неполяризованного конденсатора . Это фильтр первого порядка, поскольку в схеме есть только один реактивный компонент — конденсатор.Отфильтрованный выход будет доступен через конденсатор.
Что на самом деле происходит внутри схемы, довольно интересно.
На низких частотах реактивное сопротивление конденсатора будет очень большим, чем сопротивление резистора. Таким образом, потенциал напряжения сигнала на конденсаторе будет намного больше, чем падение напряжения на резисторе.
На более высоких частотах произойдет прямо противоположное. Сопротивление резистора увеличивается, и из-за влияния реактивного сопротивления конденсатора напряжение на конденсаторе становится меньше.
Вот кривая, как она выглядит на выходе конденсатора: —

Частотная характеристика и частота среза
Давайте разберемся с этой кривой дальше

f _c — частота среза фильтра. Сигнальная линия от 0dB / 118Hz до 100 KHz почти плоская.
Формула расчета прироста:
Прирост = 20log (Vout / Vin)
Если мы введем эти значения, мы увидим результат усиления до тех пор, пока частота среза не станет почти 1.1 единица усиления или 1x усиления называется единичным усилением .
После сигнала отсечки ответ схемы постепенно уменьшается до 0 (ноль), и это уменьшение происходит со скоростью -20 дБ / декада . Если посчитать уменьшение на октаву, оно составит -6 дБ. В технической терминологии он называется « спад ».
На низких частотах высокое реактивное сопротивление конденсатора останавливает прохождение тока через конденсатор.
Если мы применим высокие частоты выше предела отсечки, реактивное сопротивление конденсатора пропорционально уменьшится с увеличением частоты сигнала, в результате чего реактивное сопротивление будет ниже, и выход будет равен 0 в результате короткого замыкания конденсатора.
Это фильтр нижних частот. Выбрав соответствующий резистор и соответствующий конденсатор, мы можем остановить частоту, ограничить сигнал, не влияя на сигнал, так как нет активной реакции.
На изображении выше есть слово Bandwidth . Это означает, к чему будет применено единичное усиление, и сигнал будет заблокирован. Таким образом, если это фильтр нижних частот 150 кГц, то полоса пропускания будет 150 кГц. После этой полосы пропускания сигнал будет ослабевать и перестанет проходить через схему.
Также есть -3 дБ, это важно, на частоте среза мы получим усиление -3 дБ, где сигнал ослаблен до 70,7%, а емкостное реактивное сопротивление и сопротивление равны R = Xc.
Какова формула частоты среза?
f _c = 1 / 2πRC
Итак, R — сопротивление, а C — емкость. Если мы поставим значение, мы будем знать частоту среза.
Расчет выходного напряжения
Давайте посмотрим на первое изображение схемы, в которой 1 резистор и один конденсатор используются для формирования фильтра нижних частот или RC-цепи.
Когда сигнал постоянного тока подается на цепь, это сопротивление цепи, которое создает падение при протекании тока, но в случае сигнала переменного тока это импеданс, который также измеряется в Ом.
В RC-цепи две резистивные штуки . Один из них — это сопротивление, а другой — емкостное реактивное сопротивление конденсатора. Итак, нам нужно сначала измерить емкостное реактивное сопротивление конденсатора, так как это понадобится для расчета импеданса схемы.
Первое сопротивление — емкостное сопротивление , формула: —
Xc = 1 / 2π f _c
Выход формулы будет в Омах, поскольку Ом — это единица емкостного реактивного сопротивления, поскольку это противоположность означает сопротивление.
Вторая оппозиция — это сам резистор . Величина резистора также является сопротивлением.
Итак, объединив эти два противостояния, мы получим общее сопротивление , которое представляет собой полное сопротивление в цепи RC (вход сигнала переменного тока).
Импеданс обозначается как Z.

RC-фильтр действует как схема « частотный делитель потенциала с зависимой переменной ».
Выходное напряжение этого делителя =
Vout = Vin * (R2 / R1 + R2) R1 + R2 = R _T
R1 + R2 — это полное сопротивление цепи, оно равно импедансу.
Итак, сложив это общее уравнение, мы получим

Решив приведенную выше формулу, получим окончательную: —
Vout = Vin * (Xc / Z)
Пример с расчетом
Поскольку мы уже знаем, что на самом деле происходит внутри схемы и как узнать значение. Выберем практические значения .
Давайте рассмотрим наиболее распространенные значения резистора и конденсатора: 4,7 кОм и 47 нФ. Мы выбрали это значение, поскольку оно широко доступно и его легче вычислить.Давайте посмотрим, какой будет частота среза и выходное напряжение .
Частота среза будет: —

Решив это уравнение, частота среза равна 720 Гц.
Давай, правда или нет…

Это схема. В соответствии с частотной характеристикой, описанной ранее, на частоте среза дБ будет -3 дБ, независимо от частот. Мы будем искать -3 дБ в выходном сигнале и смотреть, составляет ли он 720 Гц или нет.Вот АЧХ: —

Как вы можете видеть частотную характеристику (также называемую графиком Боде ), мы устанавливаем курсор на -3 дБ (красная стрелка) и получаем 720 Гц (зеленая стрелка) угол или частоту полосы пропускания .
Если мы подадим сигнал 500 Гц, то емкостное реактивное сопротивление будет

Тогда Vout при подаче напряжения 5V Vin при 500 Гц: —

Фазовый сдвиг
Поскольку с фильтром нижних частот связан один конденсатор, и это сигнал переменного тока, фазовый угол на выходе обозначается как φ (Phi), что не совпадает по фазе -45 при -3 дБ или частоте среза.
Почему?
Когда входное напряжение изменяет время заряда конденсатора и из-за этого выходное напряжение отстает от входного сигнала или синусоидально.
Соотношение следующее: —
Увеличение входной частоты = увеличение запаса по фазе . Все эти двое пропорциональны друг другу.
Формула фазового сдвига
Фазовый сдвиг φ = -arctan (2πfRC)
Рассмотрим фазовый сдвиг схемы
.

Это кривая фазового сдвига.Устанавливаем курсор на -45 (красная стрелка) и получаем результат частоты среза 720 Гц (зеленая стрелка).
Постоянная времени
Как мы уже узнали ранее о фазовом сдвиге и частотной характеристике, конденсатор получает эффект заряда и разряда от частот входного сигнала. Этот эффект зарядки и разрядки равен . Постоянная времени обозначается как τ (тау). Это также связано с частотой среза.
Как?
τ = RC = 1 / 2π f _c
Иногда нам нужно знать частоту среза, когда у нас есть значение постоянной времени, в таком случае, изменяя формулу, мы можем легко получить, что: —
f _c = 1 / 2πRC Где RC = τ f _c = 1 / 2πτ
Благодаря этому Постоянная времени RC-фильтр создает зубчатую волну, треугольную волну, если мы изменим входной сигнал с синусоидальной на прямоугольную.Это называется схемой интегратора .
Фильтр нижних частот второго порядка: формулы, расчеты и частотные кривые
Когда два каскада RC-каскада нижних частот первого порядка соединены каскадом, это называется фильтром второго порядка, так как имеется две RC-цепи каскада.
Вот схема: —

Это фильтр нижних частот второго порядка. R1 C1 — это первый порядок, а R2 C2 — второй порядок. Каскадно они образуют фильтр нижних частот второго порядка.
Фильтр второго порядка играет роль крутизны 2 x -20 дБ / декада или -40 дБ (-12 дБ / октава).
Вот кривая отклика: —

Курсор, показывающий точку отсечки -3 дБ в зеленом сигнале, который соответствует первому порядку (R1 C1), наклон в этом случае был ранее -20 дБ / декада, а красный — на конечном выходе, который имеет наклон -40 дБ / Десятилетие.
Формулы: —
Усиление при f _c : —

Это позволит вычислить усиление цепи нижних частот второго порядка.
Частота среза: —

На практике крутизна спада увеличивается в соответствии с каскадом добавления фильтра, точка -3 дБ и частота полосы пропускания изменяются от своего фактического расчетного значения, указанного выше, на определенную величину.
Эта определенная сумма рассчитывается по следующей формуле: —

Не так хорошо каскадировать два пассивных фильтра, поскольку динамический импеданс каждого порядка фильтров влияет на другую сеть в той же схеме.
Приложения
Фильтр нижних частот — широко используемая схема в электронике.
Вот несколько приложений: —
Аудиоприемник и эквалайзер
Фильтр камеры
Осциллограф
Система управления музыкой и частотная модуляция низких частот
Генератор функций
Блок питания
.
типов пассивных фильтров нижних частот
Что такое фильтр нижних частот? Пассивный фильтр нижних частот и его типы с примерами.
Пассивный фильтр нижних частот — это тип фильтра нижних частот, который состоит из пассивных электронных компонентов, таких как резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Коэффициент усиления пассивного фильтра нижних частот всегда меньше или равен 1. Таким образом, амплитуда его выходного сигнала всегда меньше амплитуды входного сигнала. Однако они просты и легки в разработке.В этой статье мы обсудим пассивный фильтр нижних частот и его типы с примерами.

Фильтр нижних частот
Фильтр нижних частот или LPF — это тип фильтра, который пропускает низкочастотные сигналы и блокирует высокочастотные сигналы. Частоты ниже выбранной частоты, известной как частота среза, пропускаются, в то время как любая частота выше частоты среза блокируется фильтром.
Фильтры нижних частот бывают двух типов:
В этой статье мы будем обсуждать только пассивный фильтр нижних частот, так как активные фильтры нижних частот уже описаны в другом посте.Пассивные фильтры нижних частот классифицируются в соответствии с порядком расположения фильтров. мы обсудим 1 ^st и 2 ^nd фильтр нижних частот.
Фильтр нижних частот первого порядка
Фильтр нижних частот первого порядка — это простейшая форма фильтров нижних частот, которые состоят только из одного реактивного компонента, то есть конденсатора или индуктора. Резистор используется с конденсатором или индукторами для формирования RC или RL пассивного фильтра нижних частот соответственно.Ниже приводится краткое описание фильтров нижних частот RC & RL с примерами.
RC-фильтр нижних частот
RL-фильтр нижних частот
RC-фильтр нижних частот
Самый простой пассивный фильтр нижних частот состоит из резистора, соединенного последовательно с конденсатором, и выходной сигнал снимается через конденсатор как показано на рисунке ниже.

Как мы знаем, конденсатор позволяет передавать высокочастотный сигнал (работать как короткий провод) и блокировать низкочастотный сигнал (работать как открытый провод).Таким образом, когда к цепи применяется низкая частота, конденсатор откроется, и на его клемме появится сигнал, который в конечном итоге будет вытекать как выходной. Однако, когда высокочастотный сигнал достигает конденсатора, происходит короткое замыкание, и выходной сигнал становится нулевым.
Причина, по которой конденсатор блокирует и допускает частоту, заключается в его реактивном сопротивлении, которое определяется как.
X _c = 1 / C = 1 / (2πfC)
Где X _c — реактивное сопротивление конденсатора
f — частота приложенного сигнала
C — это емкость конденсатора
.
Активный фильтр нижних частот
Ранее мы описывали пассивный фильтр нижних частот, в этом руководстве мы исследуем, что такое активный фильтр нижних частот .
Что это, схема, формулы, кривая?
Как мы знаем из предыдущего урока, пассивный фильтр нижних частот работает с пассивными компонентами. Только два пассивных компонента — резистор и конденсатор — являются ключом или сердцем схемы пассивного фильтра нижних частот. В предыдущих уроках мы узнали, что пассивный фильтр нижних частот работает без какого-либо внешнего прерывания или активного отклика.Но у него есть определенные ограничения .
Ограничения пассивного фильтра нижних частот следующие: —
Импеданс цепи создает потерю амплитуды. Так что Vout всегда меньше Vin.
Усиление не может быть выполнено только с пассивным фильтром нижних частот.
Характеристики фильтра во многом зависят от импеданса нагрузки.
Коэффициент усиления всегда равен или меньше единичного усиления.
Чем больше количество ступеней фильтрации или порядок фильтрации, тем меньше потери амплитуды.
Из-за этого ограничения, если необходимо усиление, лучший способ добавить активный компонент, который усилит отфильтрованный выходной сигнал. Это усиление осуществляется операционным усилителем или операционным усилителем. Поскольку для этого требуется источник напряжения, это активный компонент. Отсюда и название Активный фильтр нижних частот .
Типичный усилитель получает питание от внешнего источника питания и усиливает сигнал, но он очень гибкий, поскольку мы можем более гибко изменять полосу частот.Кроме того, выбор типа активных компонентов остается за пользователем или разработчиком в зависимости от требований. Это могут быть полевые транзисторы, полевые транзисторы, транзисторы, операционные усилители, которые обладают большой гибкостью. Выбор компонента также зависит от стоимости и эффективности, если он предназначен для продукта массового производства.
Ради простоты, эффективности по времени, а также для развития технологий в конструкции операционных усилителей, как правило, в конструкции активных фильтров используется операционный усилитель.
Давайте посмотрим , почему мы должны выбрать и операционный усилитель для разработки активного фильтра нижних частот : —
Высокое входное сопротивление.
Из-за высокого входного импеданса входной сигнал нельзя было разрушить или изменить. В общем или в большинстве случаев входной сигнал с очень низкой амплитудой может быть разрушен, если он используется в качестве схемы с низким сопротивлением. В таких случаях Op-Amp получает преимущество.
Очень низкое количество компонентов. Требуется всего несколько резисторов.
Доступны операционные усилители различных типов в зависимости от коэффициента усиления и напряжения.
Низкий уровень шума.
Проще проектировать и внедрять.
Но поскольку мы знаем, что нет ничего идеального, эта конструкция активного фильтра также имеет определенные ограничения.
Выходное усиление и полоса пропускания, а также частотная характеристика зависят от технических характеристик операционного усилителя.
Давайте исследуем дальше и поймем, что в нем особенного.
Активный фильтр нижних частот с усилением:
Прежде чем разобраться в конструкции активного фильтра нижних частот с операционным усилителем, нам нужно немного узнать об усилителях.Amplify — это увеличительное стекло, оно создает копию того, что мы видим, но в большей форме, чтобы лучше распознавать это.
В первом уроке пассивного фильтра нижних частот мы узнали, что такое фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот отфильтровывает низкую частоту и блокирует более высокий синусоидальный сигнал переменного тока. Этот активный фильтр нижних частот работает так же, как пассивный фильтр нижних частот, с той лишь разницей, что здесь добавлен один дополнительный компонент, это усилитель как операционный усилитель .
Вот простая конструкция фильтра нижних частот: —

Это изображение активного фильтра нижних частот.Здесь линия нарушения показывает нам традиционный пассивный RC-фильтр нижних частот, который мы видели в предыдущем уроке.
Частота среза и усиление напряжения:
Формула частоты среза такая же, как и в пассивном фильтре нижних частот.
fc = 1 / 2πRC
Как описано в предыдущем руководстве, fc — это частота среза, R — значение резистора, а C — значение конденсатора.
Два резистора, подключенные к положительному узлу операционного усилителя, являются резисторами обратной связи.Когда эти резисторы подключены к положительному узлу операционного усилителя, это называется неинвертирующей конфигурацией. Эти резисторы отвечают за усиление или усиление.
Мы можем легко рассчитать усиление усилителя , используя следующие уравнения, где мы можем выбрать эквивалентное значение резистора в соответствии с усилением или наоборот: —
Усиление усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1 + R2 / R3)
Кривая частотной характеристики:
Давайте посмотрим, какой будет выходной сигнал активного фильтра нижних частот или график Боде / кривая частотной характеристики : —

Это конечный выход активного фильтра нижних частот в неинвертирующей конфигурации операционного усилителя .Мы увидим подробное объяснение на следующем изображении.

Как мы видим, это идентично пассивному фильтру нижних частот. От начальной частоты до Fc или точки отсечки частоты или граничной частоты начинается с –3 дБ точки. На этом изображении усиление составляет 20 дБ, поэтому частота среза составляет 20 дБ — 3 дБ = 17 дБ , где расположена точка fc. Наклон составляет -20 дБ за декаду.
Независимо от фильтра, от начальной точки до точки частоты среза она называется полосой пропускания фильтра, а после нее — полосой пропускания, из которой разрешена частота прохождения.
Мы можем вычислить коэффициент усиления по величине , преобразовав коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.
Расчет выглядит следующим образом
db = 20log (Af)
Это Af может быть усилением постоянного тока, которое мы описали ранее, вычислив номинал резистора или разделив Vout на Vin.
Цепь фильтра неинвертирующего и инвертирующего усилителя:
Эта активная схема фильтра нижних частот, показанная в начале, также имеет одно ограничение. Его стабильность может быть нарушена при изменении импеданса источника сигнала. Например, уменьшение или увеличение.
Стандартная методика проектирования может улучшить стабильность, отключив конденсатор от входа и подключив его параллельно со вторым резистором обратной связи операционного усилителя.
Вот схема Неинвертирующий активный фильтр нижних частот —

На этом рисунке, если мы сравним это со схемой, описанной в начале, мы увидим, что положение конденсатора изменено для обеспечения стабильности, связанной с сопротивлением .В этой конфигурации внешний импеданс не влияет на реактивное сопротивление конденсаторов, , таким образом, стабильность улучшилась .
В той же конфигурации, если мы хотим инвертировать выходной сигнал, мы можем выбрать конфигурацию инвертирующего сигнала операционного усилителя и подключить фильтр к инвертированному операционному усилителю.
Вот схемная реализация инвертированного активного фильтра нижних частот : —

Это активный фильтр нижних частот в инвертированной конфигурации. Операционный усилитель подключен обратно . В предыдущем разделе вход был подключен к положительному входному выводу операционного усилителя, а отрицательный вывод операционного усилителя используется для создания схемы обратной связи. Здесь схемотехника перевернутая. Положительный вход, соединенный со ссылкой заземления и конденсатора и резистор обратной связи, подключенного через ОУ отрицательный входной контакт. Это называется конфигурацией инвертированного операционного усилителя , и выходной сигнал будет инвертирован, чем входной сигнал .
Активный фильтр нижних частот с единичным усилением или повторителем напряжения:
До сих пор описанная здесь схема используется для усиления напряжения и пост-усиления.
Мы можем сделать это с помощью усилителя с единичным усилением, это означает, что выходная амплитуда или усиление будут такими же, как и входные: 1x . Vin = Vout.
Не говоря уже о том, что это также конфигурация операционного усилителя, которую часто называют конфигурацией повторителя напряжения, в которой операционный усилитель создает точную копию входного сигнала.
Давайте посмотрим на схему и то, как настроить операционный усилитель как повторитель напряжения и сделать активный фильтр нижних частот с единичным усилением. : —

На этом изображении резисторы обратной связи операционного усилителя удалены.Вместо резистора отрицательный входной вывод операционного усилителя соединен напрямую с выходным операционным усилителем. Эта конфигурация операционного усилителя называется конфигурацией повторителя напряжения . Прирост составляет 1x. Это активный фильтр нижних частот с единичным усилением. Он будет производить точную копию входного сигнала.
Практический пример с расчетом
Мы разработаем схему активного фильтра нижних частот в неинвертирующей конфигурации операционного усилителя.
Технические характеристики: —
Входное сопротивление 10 кОм
Прирост будет 10x
Частота отсечки будет 320 Гц
Давайте сначала вычислим значение, прежде чем делать схему: —
Усиление усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1 + R3 / R2) (Аф) = (1 + R3 / R2) Af = 10
R2 = 1k (Нам нужно выбрать одно значение; мы выбрали R2 как 1k , чтобы упростить расчет).
Складывая значения, получаем
(10) = (1 + R3 / 1)
Мы рассчитали, что номинал третьего резистора равен .
Теперь нам нужно рассчитать номинал резистора по частоте среза. Поскольку активный фильтр нижних частот и пассивный фильтр нижних частот работают одинаково, формула отсечки частоты такая же, как и раньше.
Давайте проверим номинал конденсатора, если частота среза 320 Гц, мы выбрали номинал резистора 4.7к .
fc = 1 / 2πRC
Складывая все значения вместе, получаем: —

Решив это уравнение, мы получим, что емкость конденсатора составляет 106 нФ примерно .
Следующий шаг — вычислить усиление . Формула усиления такая же, как у пассивного фильтра нижних частот. Формула усиления или величины в дБ выглядит следующим образом: —
20log (Af)
Поскольку усиление операционного усилителя в 10 раз, величина в дБ составляет 20log (10). Это 20 дБ .
Теперь, когда мы уже рассчитали значения, пришло время построить схему. Сложим все вместе и построим схему: —

Мы построили схему на основе вычисленных ранее значений. Мы предоставим 10 Гц — 1500 Гц частоту и 10 точек на декаду на входе активного фильтра нижних частот и продолжим исследование, чтобы увидеть, составляет ли частота среза 320 Гц или нет на выходе усилителя.

Это АЧХ . Зеленая линия начинается от 10 Гц до 1500 Гц, так как входной сигнал подается только для этого диапазона частот.
Как мы знаем, частота среза всегда будет на -3 дБ от максимального значения усиления. Здесь усиление составляет 20 дБ. Итак, если мы найдем точку -3 дБ, мы получим точную частоту, на которой фильтр останавливает более высокие частоты.

Мы устанавливаем курсор на 17 дБ как (20 дБ-3 дБ = 17 дБ) угловую частоту и получаем 317.950 Гц или 318 Гц , что близко к 320 Гц .
Мы можем изменить емкость конденсатора на обычную, как 100 нФ , не говоря уже о том, что частота среза также будет зависеть от нескольких Гц.
Активный фильтр нижних частот второго порядка:
К одному операционному усилителю можно добавить больше фильтров, например, активный фильтр нижних частот второго порядка. В этом случае, как и пассивный фильтр, добавляется дополнительный RC-фильтр.
Давайте посмотрим, как устроена схема фильтра второго порядка .

Это фильтр второго порядка. На приведенном выше рисунке мы можем ясно видеть два сложенных вместе фильтра. Это фильтр второго порядка. Это широко используемый фильтр и промышленное применение в усилителях, схемах музыкальных систем до усиления мощности.
Как видите, здесь один операционный усилитель. Коэффициент усиления по напряжению такой же, как указано ранее, с использованием двух резисторов.
(Аф) = (1 + R3 / R2)
Частота среза

Следует запомнить одну интересную вещь , если мы хотим добавить еще операционный усилитель, который состоит из фильтров первого порядка, усиление будет умножаться на каждый отдельный .Смущенный? Может быть, схема нам поможет.

Чем больше добавлен операционный усилитель, тем больше увеличивается коэффициент усиления . См. Рисунок выше. На этом изображении два операционных усилителя соединены каскадом с отдельными операционными усилителями. В этой схеме каскадный ОУ. Если первый имеет 10-кратное усиление, а второй — 5-кратное усиление, то общее усиление будет 5 x 10 = 50-кратное усиление.
Итак, величина каскадной схемы фильтра нижних частот ОУ в случае двух ОУ составляет: —
дБ = 20log (50)
Решив это уравнение, мы получим 34 дБ.Таким образом, коэффициент усиления по формуле усиления фильтра нижних частот каскадного операционного усилителя равен
.
TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 * ...... Afn)
Где TdB = Общая звездная величина
Так устроен активный фильтр нижних частот. В следующем уроке мы увидим, как можно построить активный фильтр верхних частот. Но перед тем, как перейти к следующему руководству, давайте посмотрим, как можно использовать активный фильтр нижних частот: —
Приложения
Активный фильтр нижних частот можно использовать во многих местах, где нельзя использовать пассивный фильтр нижних частот из-за ограничений в отношении усиления или процедуры усиления.Кроме того, активный фильтр нижних частот можно использовать в следующих местах: —
Фильтр нижних частот — широко используемая схема в электронике.
Вот несколько применений активного фильтра нижних частот: —
Эквалайзер низких частот перед усилением мощности
Фильтры, связанные с видео.
Осциллограф
Система управления музыкой и частотной модуляцией низких частот, а также перед НЧ-динамиком и динамиками с высокими басами для вывода басов.
Функциональный генератор для обеспечения переменной низкой частоты на разных уровнях напряжения.
Изменение формы частоты на другой волне от.
.
6 способов использования фильтра низких частот при смешивании
Преднамеренно используемые фильтры нижних частот могут направлять дикие аранжировки к более полированным результатам и преобразовывать одномерные звуки в более глубокие и темные версии. Но если их использовать наугад, они могут лишить яркость микса и создать грязный, в остальном приятный звук. Учитывая это, мы составили следующее руководство: шесть способов использования фильтра низких частот при микшировании.
Фильтры нижних частот дают нам возможность убрать высокочастотный контент, который является либо ненужным, либо подавляющим.Это довольно простой инструмент, поскольку есть только один основной элемент управления — точка отсечки фильтра, но его звуковой отпечаток на миксе огромен.
1. Удалить немузыкальные элементы
Точно так же, как грохот и мутность могут предотвратить пробивание низких частот через микс, сибилянты и шипение, плавающие в районе 10 кГц, могут отвлечь внимание от более важной высокочастотной информации в другом месте.
Сделайте следующий снимок экрана с басовой линией в Neutron 3.Хотя меня интересует только то, что происходит на частотах ниже 2 кГц, устойчивый слой пуха, собранный во время стадии записи, сохраняет спектр довольно активным, пока он намного выше. Если я увеличиваю уровень баса или хочу продвинуть его вперед в миксе, фузз присоединится к нему и замаскирует другие инструменты в процессе.

Энергия басов в нейтроне 3
В этом сценарии фильтр нижних частот позволяет нам сузить фокус для слушателя.Им не нужно слышать пух или даже знать, что он вообще был записан. Смещение точки отсечки вниз до того места, где исчезает нежелательная часть сигнала — без слишком сильного изменения основного звука — позволит нам добиться этого.
Для более комплексного устранения шума вам может быть лучше пропустить звук через проход RX 7. Он будет интеллектуально анализировать ваш звук и предлагать настройку, которая дает вам максимально чистый сигнал. Узнать больше о RX 7:

2.Создайте ощущение глубины
Глубина микса позволяет нам ощутить физическое расстояние между передней и задней частью звуковой сцены.
Если мы думаем о том, как мы воспринимаем звуки в повседневной жизни, то чем дальше что-то находится от нас, тем менее ярким и менее громким оно становится. Мы можем с трудом слышать собственные мысли, когда идем по городскому потоку, но обнаруживаем, что моторы и гудки сливаются в более контролируемый звук в квартале или около того от места действия.
Та же идея может быть реализована в студии.Отфильтровывая верхнюю часть и понижая уровень инструментов, мы подталкиваем их к задней части микса. Вообще говоря, вокал, ударные и гитары остаются впереди, а перкуссия, пэды и клавиши расположены немного дальше.
Вы также можете автоматизировать перемещение отдельного инструмента от большого расстояния до близкого, поместив фильтр нижних частот на его полосу канала и автоматизируя отсечку вверх. Получите максимум от автоматизации DAW с помощью творческих подходов или, если вам нужно освежиться, получите ответы на вопросы по автоматизации, которые вы, возможно, боитесь задать.
3. Уменьшить конфликты между инструментами с одинаковым звучанием
По умолчанию фильтрация лучше всего используется для освобождения места для звуков. В случае фильтра нижних частот это означает выборочное удаление высоких частот, чтобы можно было слышать инструменты верхнего диапазона.
Проект с несколькими свип-синтезаторами и вокальными слоями будет звучать загроможденно, поскольку все эти элементы конкурируют за одни и те же частоты. Новый звукоинженер может попытаться бороться с этим, подняв верхние частоты вокальных треков, чтобы они выделялись, еще больше усугубив проблему и создав слишком яркий микс.
С другой стороны, если вы избавитесь от высоких частот на звуке, который на самом деле не нужен, вы получите гораздо более безупречный результат, который фактически повысит общую энергию. Если то, что вам нравится в синтезированном треке, происходит в среднем диапазоне, убавьте эти высокие частоты, чтобы вокал звучал легче. Хрустящие малые барабаны также могут конфликтовать с вокалом и могут лучше служить общему груву, когда они слегка приглушены.
Мы часто прислушиваемся к тому, что нам следует добавить в микс, но не менее важно прислушиваться к тому, что мы должны удалить или набрать номер.
Отличный способ научиться слышать эти дисбалансы — это управление тональным балансом, которое сопоставляет частотный состав вашего микса с эталонной целью по вашему выбору — либо отдельной песней, либо сборником песен, либо жанром. Узнайте, как эталонные треки влияют на микс, десятилетие за десятилетием.
Взгляните на приведенный ниже снимок экрана для справки — синие границы дают приблизительное представление о том, где должна находиться ваша музыка в различных точках спектра, а белые линии отражают сравнение вашей музыки.

Регулятор тонального баланса
Верхний совет: Если ваши средние и высокие частоты постоянно остаются около или выше верхних границ, возможно, необходимо убрать более яркие элементы в вашем миксе. Если они приземляются около или ниже нижних границ, вы можете открыть эти фильтры.
4. Баланс ведущего и бэк-вокала
Чем больше вокальных треков вы добавите, тем больше перекрываются частоты и тем сложнее все услышать.Возможно, одно из величайших столкновений, с которыми вы столкнетесь в миксе, происходит между лидами и фоном.
Чтобы освободить место для ведущей партии, пропустите нижний бэк-вокал, чтобы он больше походил на тень, чем на конкурента. Для усиления разделения обычно требуются дополнительные разрезы по спектру.
Если вам сложно сбалансировать соло и фон, попробуйте уменьшить количество вокальных треков в вашей DAW. Слишком много стеков сузят ваш микс и в конечном итоге будут стоить вам драгоценного запаса мощности и динамики.
Узнайте больше о вокале и о том, как создать бэк-вокал, дополняющий соло.
5. Добавить кромку и прикус
Хотя обычно фильтры нижних частот используются для удаления частот, вы также можете использовать их, чтобы добавить к сигналу больше того, что вам нравится.
Может быть, в вашем звуке есть интересные верхние гармоники, но они слишком тихие. Поместите срез фильтра низких частот вокруг точки, в которой они теряют энергию, и слегка увеличьте, чтобы выделить их, как показано на скриншоте ниже с узлом 8.Не стоит заходить слишком далеко, так как это создает ощущение прямоугольности в средних частотах и резкости в высоких.
Верхний совет: Чтобы предотвратить это, используйте более широкое усиление вместо узкого — первое более естественное по ощущениям и с меньшей вероятностью приведет к появлению артефактов.

Форсирование около точки отсечки в Neutron 3
Попробуйте то же самое на противоположном конце спектра с фильтром высоких частот.Вы можете аккуратно приручить самые дикие инструменты в своем миксе, одновременно улучшая качества, которые вам больше всего нравятся в них, очень музыкальным способом.
6. Опасно: Соблюдайте осторожность!
Как и все инструменты микширования, с фильтрами низких частот можно переборщить, особенно новичок. Но как узнать, что вы зашли слишком далеко?
В качестве эксперимента поместите фильтр нижних частот на выходной канал сеанса, затем опустите отсечку вниз к его самой низкой точке. Вы заметите яркость выходящего микса (особенно после того, как вы превысите 15 кГц), пока все, что у вас не останется, — это мутный суп низких частот.Снова переместите отсечку вверх и послушайте, как возвращается яркость. Это должно показать вам, сколько энергии может быть потеряно при опрометчивом проходе нижних частот.
Хотя маловероятно, что кто-то применил бы такую резкую фильтрацию ко всему миксу, чувствительность нашего уха к средним и высоким частотам может привести к тому, что мы упадем больше, чем нам нужно, на богатых гармонических инструментах. Наша естественная чувствительность ослабевает еще больше, когда мы проводим много часов в студии, и у нас возникает утомление.
Долгие часы в студии также означают многократное прослушивание микса. Если для начала используется слишком сильная фильтрация низких частот, мы можем привыкнуть к приглушенному звуку и сочтем добавление высоких частот слишком резким по сравнению с этим. Вы можете предотвратить оба этих сценария, сделав перерывы. Удивительно, насколько больше вы замечаете в миксе после 10 минут перерыва.
Чтобы подчеркнуть важность сдержанности при фильтрации, послушайте следующий пример, где у меня есть синтезаторный бас, работающий рядом с барабанной петлей.В первой части клипа установлена слишком высокая частота среза, а басы слишком яркие, что отвлекает от его ритмической функции. Во второй части клипа более четко работает НЧ; бас звучит басово и кажется округлым, но он также потерял часть исходного сигнала. Если вернуть немного яркости, бас вернется в исходное состояние, не выходя за рамки своей роли — что вы можете услышать в третьей части.
Заключение
Имея всего один параметр, фильтры нижних частот дают нам возможность творческого и корректирующего контроля над нашими миксами.По этой причине они используются во всех стилях музыки для улучшения баланса и ясности.
Я уже сделал подробное предупреждение об опасности чрезмерной фильтрации, поэтому я не буду вдаваться в подробности, кроме как повторить, что low-pass может создать столько же проблем, сколько решает при неограниченном использовании. Приложив немного терпения, потренировав слух и получив визуальную обратную связь от Tonal Balance Control, у вас должно быть более чем достаточно, чтобы принимать наилучшие решения для вашего микса.
.