Полосовой фильтр на оу. Полосовой фильтр на операционном усилителе: принцип работы, расчет и применение

Что такое полосовой фильтр на ОУ. Как работает полосовой фильтр. Для чего используются полосовые фильтры. Как рассчитать полосовой фильтр на операционном усилителе. Какие преимущества у активных фильтров на ОУ.

Полосовой фильтр: назначение и принцип действия

Полосовой фильтр — это электронная схема, которая пропускает сигналы определенного диапазона частот и подавляет сигналы за пределами этого диапазона. Основные характеристики полосового фильтра:

• Полоса пропускания — диапазон частот, в котором сигнал проходит с минимальным ослаблением
• Полоса заграждения — диапазон частот, в котором сигнал значительно ослабляется
• Центральная частота — середина полосы пропускания
• Добротность — отношение центральной частоты к ширине полосы пропускания

Принцип работы полосового фильтра основан на частотно-зависимых свойствах RC-цепей. При определенной комбинации резисторов и конденсаторов создается схема, имеющая максимальное усиление на заданной частоте и спад усиления на частотах выше и ниже.

Активные и пассивные полосовые фильтры

Полосовые фильтры бывают двух основных типов:

• Пассивные — состоят только из пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности)
• Активные — содержат активные элементы, такие как операционные усилители

Активные фильтры на операционных усилителях имеют ряд преимуществ по сравнению с пассивными:

• Возможность усиления сигнала
• Высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Простота настройки характеристик
• Компактность, отсутствие громоздких катушек индуктивности
• Возможность работы на низких частотах

Схема полосового фильтра на операционном усилителе

Рассмотрим типовую схему активного полосового фильтра на ОУ:

Основные элементы схемы:

• R1, R2 — входные резисторы
• C1, C2 — конденсаторы в цепи обратной связи
• R3 — резистор обратной связи
• DA1 — операционный усилитель

RC-цепи в схеме формируют частотную характеристику фильтра. Операционный усилитель обеспечивает усиление сигнала в полосе пропускания.

Расчет полосового фильтра на ОУ

Для расчета полосового фильтра необходимо определить следующие параметры:

• f0 — центральная частота полосы пропускания
• Δf — ширина полосы пропускания
• K0 — коэффициент усиления на центральной частоте

Основные формулы для расчета:

1. Добротность фильтра: Q = f0 / Δf
2. Частота среза нижних частот: fн = f0 / √(1 + 1/4Q²)
3. Частота среза верхних частот: fв = f0 * √(1 + 1/4Q²)
4. R1 = R2 = R (выбирается произвольно в диапазоне 1-100 кОм)
5. C1 = 1 / (2π * fн * R)
6. C2 = 1 / (2π * fв * R)
7. R3 = R * K0

Пример расчета полосового фильтра на частоту 1 кГц с полосой пропускания 100 Гц и усилением 10:

• f0 = 1000 Гц
• Δf = 100 Гц
• K0 = 10
• Q = 1000 / 100 = 10
• fн ≈ 995 Гц
• fв ≈ 1005 Гц
• R = 10 кОм
• C1 ≈ 16 нФ
• C2 ≈ 15.8 нФ
• R3 = 100 кОм

Применение полосовых фильтров на ОУ

Полосовые фильтры на операционных усилителях широко используются в различных областях электроники и радиотехники:

• Выделение полезного сигнала на фоне помех
• Частотное разделение каналов в системах связи
• Формирование частотной характеристики в аудиосистемах
• Селекция сигналов в измерительной технике
• Подавление внеполосных излучений в передатчиках

Примеры конкретного применения:

1. Фильтрация речевого сигнала в телефонии (полоса 300-3400 Гц)
2. Выделение поднесущих в стереосистемах (38 кГц)
3. Селекция сигналов промежуточной частоты в радиоприемниках
4. Частотные корректоры в эквалайзерах
5. Фильтрация сигналов датчиков в измерительных системах

Преимущества и недостатки полосовых фильтров на ОУ

Полосовые фильтры на операционных усилителях обладают рядом достоинств и ограничений:

Преимущества:

• Возможность реализации фильтров высокого порядка
• Простота настройки параметров
• Высокая стабильность характеристик
• Отсутствие катушек индуктивности
• Малые габариты

Недостатки:

• Необходимость источника питания
• Ограничение по верхней частоте (зависит от ОУ)
• Возможность самовозбуждения при неправильном расчете
• Чувствительность к разбросу параметров компонентов

Особенности проектирования полосовых фильтров на ОУ

При разработке полосовых фильтров на операционных усилителях следует учитывать ряд важных моментов:

1. Выбор типа аппроксимации частотной характеристики (Баттерворта, Чебышева, Бесселя)
2. Определение требуемого порядка фильтра
3. Расчет номиналов элементов с учетом допусков
4. Выбор операционного усилителя с подходящими параметрами
5. Моделирование схемы в САПР для проверки характеристик
6. Экспериментальная проверка и подстройка реального фильтра

Важно также обеспечить стабильность работы схемы, избегая самовозбуждения на высоких частотах. Для этого может потребоваться введение дополнительных корректирующих цепей.

Сравнение полосовых фильтров на ОУ с другими типами фильтров

Рассмотрим основные отличия полосовых фильтров на ОУ от других распространенных типов фильтров:

Тип фильтра	Преимущества	Недостатки
Пассивные LC-фильтры	— Работа на высоких частотах — Не требуют питания	— Большие габариты — Сложность настройки
Цифровые фильтры	— Высокая точность — Гибкость настройки	— Необходимость АЦП/ЦАП — Задержка сигнала
Фильтры на ОУ	— Простота реализации — Малые габариты	— Ограничение по частоте — Требуют питания

Выбор типа фильтра зависит от конкретной задачи, требуемых характеристик и условий применения.

Расчет полосового фильтра на ОУ

Разрабатывая «радиоуправляемое реле» я решил использовать частотный способ кодирования команд управления. При этом фильтр было принято решение построить на ОУ, так как в корпусе оставался еще не задействованный блок ОУ. Но на этом фантазировать я еще не закончил, немного подумал и решил, что можно еще с экономить на деталях используя элементы, которые есть в наличии. Это и привело к написанию этой статьи «расчет полосового фильтра на ОУ». Покопавшись в книгах, собрав всю необходимую информацию составил алгоритм расчета фильтра с однополярным питанием. Но об этом потом, а сейчас не много теории. 

Все фильтры разделяются на: активные фильтры, использующие для формирования частотной характеристики заданного вида как пассивные (резисторы и конденсаторы), так и активные (транзисторы, микросхемы) элементы, и пассивные фильтры, которые для формирования частотной характеристики заданного вида используют только пассивные (резисторы и конденсаторы) элементы.

А сейчас поговорим о полосовых фильтрах.

Полосовой фильтр так называется потому, что он пропускает только тот частотный диапазон на который настроен, при этом частоты находящиеся за пределами данного диапазона ослабляются. Любой полосовой фильтр имеет несколько основных параметров определяющих его характеристики: полоса пропускания (полоса в которой сигнал проходя через фильтр имеет наименьшее затухание), полоса затухания (полоса в которой, сигналы ослабляются), коэффициент усиления (характеристика фильтра, которая отвечает за то во сколько раз сигнал будет усилен или ослаблен в полосе пропускания).

Идеальный полосовой фильтр имеет прямоугольную полосу пропускания, но на практике этого добиться невозможно, а можно только в какой-то степени лишь приблизиться такой форме. Реальный фильтр неспособен полностью задержать частоты за границами желаемого диапазона частот, в результате имеется область у границ заданного диапазона, где сигнал только частично ослабляется. Эта область называется крутизной спада фильтра, и измеряется в «дБ» затухания на октаву.

 

Принцип работы полосового фильтра основан на изменении коэффициента усиления в зависимости от частоты входного сигнала. Основной в фильтре является RC-цепочка, включенная в цепь обратной связи которая, при изменении частоты влияет на коэффициента усиления. Ну все думаю теории хватит перейдем к расчетам.

Расчет произведем по ниже приведенной схеме. Элементы R1-R3 и C1, C2 — определяют полосу пропускания и коэффициент усиления. R4, R5 — смещение рабочей точки, это необходимо для питания от однополярного источника. Микросхема ОУ выполняет роль активного элемента и подключать ее необходимо согласно Datasheet. Ниже схемы на картинках приведен расчет полосового фильтра на ОУ, но вы так же можете воспользоваться файлами расчета в Mathcad 14 и модели в Multisim 11.

Схема полосового фильтра на ОУ

Данный фильтр можно использовать в светомузыкальных устройствах, радиоуправлении, датчиках и так далее. 

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
A	Операционный усилитель	LM358	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С1, C2	Конденсатор	3300 пФ	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1	Резистор	3. 3 кОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R2	Резистор	240 Ом	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3	Резистор	1.5 мОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4	Резистор	24 кОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R5	Резистор	20 кОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ОУ
• Multisim

Схемы активных фильтров

Активные фильтры и генераторы

Схемы активных фильтров

Подразделы: 5. 6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

Известны очень хитроумные конструкции активных фильтров, каждый из которых используется для того, чтобы в качестве характеристики фильтра получить нужную функцию, как, например, функция Баттерворта, Чебышева и др. Можно спросить: зачем вообще нужно более одной схемы активного фильтра? Причина в том, что каждая схемная реализация является наилучшей в смысле тех или иных желательных свойств, и поэтому «абсолютно лучшей» схемы фильтра не существует.

Некоторые свойства, желательные для схемы активного фильтра, таковы: а) малое число элементов, как активных, так и пассивных; б) легкость регулировки; в) малое влияние разброса параметров элементов, в особенности значений емкостей конденсаторов; г) отсутствие жестких требований к применяемому операционному усилителю, в особенности требований к скорости нарастания, ширине полосы пропускания и полному выходному сопротивлению; д) возможность создания высокодобротных фильтров; е) нечувствительность характеристик фильтра по отношению к параметрам элементов и коэффициенту усиления ОУ (в частности, произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, ƒ_с). По многим причинам последнее свойство является одним из наиболее важных. Фильтр, который требует соблюдения высокой точности значений параметров элементов, трудно настраивать, и по мере старения элементов настройка теряется; кроме того дополнительной неприятностью является требование использовать элементы с малым допуском значений параметров. Схема фильтра на ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением) обязана широкой популярностью в основном своей простоте и малому числу деталей, но эта схема страдает недостатком, а именно высокой чувствительностью к изменениям значения параметров элементов. Для сравнения: недавно возникший интерес к более сложным гиратороподобным схемам вызван их нечувствительностью к малым изменениям параметров элементов.

В этом разделе будет рассмотрено несколько схем для реализации фильтров нижних и верхних частот, а также полосовых фильтров. Начнем же с популярной схемы на ИНУН, или управляемого источника, затем рассмотрим построение фильтров на основе метода переменных состояния, выпускаемых в виде интегральных схем различными фирмами — изготовителями, и наконец, упомянем о двойном Т-образном фильтре с высокимизбирательным подавлением («фильтр — пробка») и о некоторых интересных новых направлениях в области реализации фильтров на переключаемых конденсаторах.

Фильтр на источнике напряжения, управляемом напряжением (ИНУН), известный также просто как фильтр с управляемым источником — это вариант фильтра Саллена и Ки, который был описан выше. В этом случае повторитель с единичным коэффициентом усиления заменен не инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления, большим 1. На рис. 5.16 даны схемы для реализации фильтра нижних и верхних частот, а также полосового фильтра. С помощью присоединенных к выходу ОУ резисторов, образован не инвертирующий усилитель напряжения с коэффициентом усиления K, а остальные R и С по-прежнему формируют частотную характеристику фильтра. Как будет показано далее, эти двухполюсные фильтры могут быть фильтрами Баттерворта, Беселя и др. за счет определенного подбора параметров элементов. Любое число двухполюсных секций на ИНУН может быть соединено каскадно для создания фильтров более высокого порядка. В таком соединении отдельные секции, вообще говоря, не идентичны. Действительно, каждая секция соответствует квадратичному сомножителю полинома степени n, описывающего фильтр в целом.

Рис. 5.16. Схемы активных фильтров на ИНУН. a — фильтр нижних частот; б — фильтр верхних частот; в — полосовой фильтр.

В большинстве обычных справочников по фильтрам приведены формулы и таблицы для всех стандартных характеристик фильтров, включая отдельные таблицы для фильтров Чебышева с разными амплитудами пульсаций. В следующем разделе будут представлены удобные в употреблении таблицы для проектирования фильтров на ИНУН типа Баттерворта, Бесселя и Чебышева (фильтр Чебышева с неравномерностью 0,5 и 2 дБ), используемых в качестве фильтров нижних или верхних частот. Полосовой и полосноподавляюший фильтры легко могут быть составлены из их комбинаций.

Подразделы: 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

Генераторы

7HP-960/X1215-O/O — Микроволновая печь K&L | Полосовой фильтр от 960 до 1215 МГц

7HP-960/X1215-O/O от K&L Microwave представляет собой полосовой фильтр с резким спадом. Имеет полосу пропускания от 960 МГц до 1215 МГц; который может расширяться до 1400 МГц. Фильтр пропускает диапазоны JTIDS/MIDS и отклоняет диапазоны GSM и UMTS. Он имеет вносимые потери менее 4 дБ, КСВ 1,8:1 и подавление 40 дБ от постоянного тока до 9 дБ.55 МГц. Этот фильтр можно использовать для уменьшения внеполосных излучений военных передатчиков, коммерческих мобильных приемников и повышения селективности входных каскадов военных приемников для лучшего подавления передаваемых коммерческих сигналов. Он доступен в виде модуля размером 6,75 x 2,25 x 1,75 с разъемами SMA.

Технические характеристики изделия

Посмотреть похожие товары

Информация о продукте

Общие параметры

• Область применения

  Военный

• Применение

  GSM, UMTS

• Частота

  от 960 МГц до 2,15 ГГц

• Полоса пропускания

  255 МГц

• Вносимые потери

  4 дБ

• Отказ

  40 дБ от постоянного тока до 955 МГц

• КСВ

  1,80:1

• Тип упаковки

  Модуль с разъемами

• Размер

  6,75 x 2,25 x 1,75 дюйма

• Соединитель

  СМА

• Марка

  Военный, Коммерческий

Технические документы

• Технический паспорт

Последние полосовые фильтры

Посмотреть больше продуктов

• 449 полосовых фильтров от Talent Microwave Inc.
• 10 полосовых фильтров от Kavveri Telecom
• 38 полосовых фильтров Sirius Microwave
• 1 полосные фильтры от Amphenol Procom
• 18 полосовых фильтров от Metropole Products Inc.

• Полосовые фильтры GSM
• Полосовые фильтры SMA
• Фильтры 5G
• Полосовые фильтры BAW
• Полостные полосовые фильтры
• Керамические полосовые фильтры
• RF SAW полосовые фильтры
• IF SAW полосовые фильтры
• Combline полосовые фильтры
• Crystal Band Pass фильтры Пропускные фильтры

Реклама

Полосовые фильтры Продукт ../../../

Пожалуйста, подождите…

5ED30-5100/h2000-O/O K&L Microwave, Inc. Радиочастотный фильтр

НАЖИМАЯ КНОПКУ «ПРИНЯТЬ», «ВЫ» (имеется в виду ВЫ ЛИЧНО ИЛИ КОМПАНИЯ, КОТОРУЮ ВЫ ПРЕДСТАВЛЯЕТЕ И ОТ ИМЕНИ КОТОРОЙ ВЫ ПОЛНОМОЧЕНЫ ЗАКЛЮЧИТЬ НАСТОЯЩЕЕ СОГЛАШЕНИЕ) СОГЛАСНЫ СОБЛЮДАТЬ НАСТОЯЩЕЕ ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОГЛАШЕНИЕ И СТАНОВИТЕСЬ СТОРОНОЙ «СОГЛАШЕНИЕ»). ЕСЛИ ВЫ НЕ СОГЛАСНЫ СО ВСЕМИ УСЛОВИЯМИ НАСТОЯЩЕГО СОГЛАШЕНИЯ, НАЖМИТЕ КНОПКУ «ОТМЕНА», И ПРОЦЕСС ЗАГРУЗКИ/УСТАНОВКИ НЕ ПРОДОЛЖИТСЯ. ЕСЛИ ЭТИ УСЛОВИЯ СЧИТАЮТСЯ ПРЕДЛОЖЕНИЕМ, ПРИНЯТИЕ ЯВНО ОГРАНИЧИВАЕТСЯ ЭТИМИ УСЛОВИЯМИ. 1. ГРАНТ. В соответствии с условиями настоящего Соглашения («Компания») настоящим предоставляет вам (и только вам) ограниченную, личную, не подлежащую сублицензированию, не подлежащую передаче, безвозмездную, неисключительную лицензию на внутреннее использование программного обеспечения, которое вы собираетесь загружать/устанавливать («Программное обеспечение») только в соответствии с настоящим Соглашением и документацией Компании, прилагаемой к Программному обеспечению, и без каких-либо модификаций, кроме модификаций, предоставленных непосредственно Компанией. 2. ОГРАНИЧЕНИЯ. Вы не можете (и соглашаетесь не делать этого, а также не разрешаете или не позволяете другим делать это) прямо или косвенно: (a) копировать, распространять или иным образом использовать Программное обеспечение в интересах третьих лиц; (b) дизассемблировать или иным образом перепроектировать Программное обеспечение; или (c) удалить любые уведомления о праве собственности из Программного обеспечения. Вы понимаете, что Компания может изменить или прекратить предлагать Программное обеспечение в любое время. 3. ПОДДЕРЖКА И ОБНОВЛЕНИЯ. Настоящее Соглашение не дает вам права на какую-либо поддержку, обновления, исправления, усовершенствования или исправления для Программного обеспечения (совместно именуемые «Поддержка»). Любая такая Поддержка Программного обеспечения, которая может быть предоставлена ​​Компанией, становится частью Программного обеспечения и подпадает под действие настоящего Соглашения. 4. ОТКАЗ ОТ ГАРАНТИИ. КОМПАНИЯ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ «КАК ЕСТЬ» И БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ГАРАНТИЙ, И НАСТОЯЩИМ КОМПАНИЯ ОТКАЗЫВАЕТСЯ ОТ ВСЕХ ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ ГАРАНТИЙ, ВКЛЮЧАЯ, ПОМИМО ПРОЧЕГО, ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ПРИГОДНОСТИ, ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ, ТОЧНОСТИ, НАДЕЖНОСТИ И НЕНАРУШЕНИЯ ПРАВ. НАСТОЯЩИЙ ОТКАЗ ОТ ГАРАНТИИ СОСТАВЛЯЕТ НЕОТЪЕМЛЕМУЮ ЧАСТЬ НАСТОЯЩЕГО СОГЛАШЕНИЯ. 5. ОГРАНИЧЕНИЕ ОТВЕТСТВЕННОСТИ. КОМПАНИЯ ИЛИ ЕЕ ЛИЦЕНЗИАРЫ, ПОСТАВЩИКИ ИЛИ ТОРГОВЫЕ ПРОДАВЦЫ НЕ НЕСУТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ПЕРЕД ВАС ИЛИ ЛЮБЫМ ДРУГИМИ ЛИЦАМИ ЗА (A) ЛЮБОЕ КОСВЕННОЕ, СПЕЦИАЛЬНОЕ, СЛУЧАЙНЫЕ ИЛИ КОСВЕННЫЕ УБЫТКИ ЛЮБОГО ХАРАКТЕРА, ВКЛЮЧАЯ, ПОМИМО ПРОЧЕГО, УЩЕРБ В ОТНОШЕНИИ УПУЩЕННОЙ ПРИБЫЛИ, ПОТЕРИ РЕЛИГИИ, ОСТАНОВКИ РАБОТЫ, ТОЧНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ, СБОЯ ИЛИ НЕИСПРАВНОСТИ КОМПЬЮТЕРА, УЩЕРБА В РЕЗУЛЬТАТЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЛИ (B) ПРЕВЫШЕНИЯ ЛЮБОЙ СУММЫ 100 долларов. 6. ПРЕКРАЩЕНИЕ. Вы можете прекратить действие настоящего Соглашения и предоставленной в нем лицензии в любое время, уничтожив или удалив со всех компьютеров, сетей и носителей все копии Программного обеспечения. Компания может немедленно расторгнуть настоящее Соглашение и предоставленную в нем лицензию, если вы нарушите какое-либо положение настоящего Соглашения. После получения от Компании уведомления о расторжении вы должны уничтожить или удалить со всех компьютеров, сетей и носителей все копии Программного обеспечения. Разделы со 2 по 7 остаются в силе после прекращения действия настоящего Соглашения. 7. РАЗНОЕ. Вы должны соблюдать все применимые экспортные законы, ограничения и правила в связи с использованием вами Программного обеспечения и не будете экспортировать или реэкспортировать Программное обеспечение в нарушение этих правил. Настоящее Соглашение является личным для вас, и вы не имеете права переуступать или передавать Соглашение или Программное обеспечение какой-либо третьей стороне ни при каких обстоятельствах; Компания может переуступить или передать настоящее Соглашение без согласия.