Как работают активные фильтры нижних частот. Какие компоненты используются в их схемах. Чем отличаются от пассивных ФНЧ. Преимущества и недостатки активных ФНЧ. Где применяются активные фильтры нижних частот.
Принцип работы активного фильтра нижних частот
Активный фильтр нижних частот (ФНЧ) — это электронная схема, которая пропускает сигналы низких частот и подавляет высокочастотные составляющие. В отличие от пассивных ФНЧ, активные фильтры содержат активные компоненты (операционные усилители, транзисторы), что позволяет получить лучшие характеристики.
Принцип работы активного ФНЧ заключается в следующем:
- На входе фильтра стоит RC-цепь, которая начинает ослаблять высокие частоты.
- Операционный усилитель компенсирует затухание полезного сигнала и обеспечивает крутой спад АЧХ в области высоких частот.
- Частота среза определяется номиналами резисторов и конденсаторов.
- Порядок фильтра (крутизна спада АЧХ) зависит от количества звеньев.
Основные схемы активных ФНЧ
Наиболее распространенными схемами активных фильтров нижних частот являются:
- Фильтр Саллена-Ки — простая схема 2-го порядка на одном ОУ.
- Фильтр с множественной обратной связью — обеспечивает хорошее подавление высоких частот.
- Фильтр Чебышева — имеет более крутой спад АЧХ за пределами полосы пропускания.
- Фильтр Баттерворта — обеспечивает максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания.
Выбор конкретной схемы зависит от требований к характеристикам фильтра в конкретном применении.
Преимущества активных ФНЧ перед пассивными
Активные фильтры нижних частот имеют ряд важных преимуществ по сравнению с пассивными RC-фильтрами:
- Более крутой спад АЧХ за пределами полосы пропускания
- Отсутствие затухания сигнала в полосе пропускания
- Возможность получения высокой добротности
- Простота каскадирования для повышения порядка фильтра
- Легкость перестройки частоты среза
- Отсутствие громоздких и дорогих катушек индуктивности
Это делает активные ФНЧ предпочтительными во многих применениях, особенно на низких частотах.
Области применения активных фильтров нижних частот
Активные ФНЧ широко используются в самых разных электронных устройствах и системах:
- Аудиотехника — кроссоверы, эквалайзеры, фильтры для сабвуферов
- Измерительная техника — подавление высокочастотных помех
- Системы сбора данных — антиалайзинговые фильтры перед АЦП
- Радиоприемники — фильтрация промежуточной частоты
- Источники питания — сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения
Активные ФНЧ позволяют эффективно выделять полезный низкочастотный сигнал на фоне высокочастотных помех.
Расчет и проектирование активных фильтров нижних частот
- Определить требуемые параметры фильтра — частоту среза, порядок, неравномерность АЧХ.
- Выбрать схему фильтра (Саллена-Ки, Чебышева и т.д.).
- Рассчитать номиналы резисторов и конденсаторов по формулам для данной схемы.
- Выбрать подходящий операционный усилитель.
- Провести моделирование и оптимизацию схемы в САПР.
- Изготовить макет и провести экспериментальную проверку характеристик.
Важно учитывать реальные параметры компонентов и влияние паразитных элементов на работу фильтра.
Настройка активных фильтров нижних частот
Для точной настройки характеристик активного ФНЧ можно использовать следующие методы:
- Подстройка частоты среза с помощью переменных резисторов или конденсаторов
- Изменение порядка фильтра каскадированием звеньев
- Коррекция АЧХ дополнительными RC-цепями
- Оптимизация номиналов компонентов в САПР
- Замена операционного усилителя на более быстродействующий
Правильная настройка позволяет получить требуемые характеристики фильтра в конкретном применении.
Ограничения активных фильтров нижних частот
Несмотря на преимущества, у активных ФНЧ есть и некоторые ограничения:
- Необходимость источника питания для операционных усилителей
- Ограничение по максимальной рабочей частоте (единицы МГц)
- Возможность самовозбуждения при неправильном проектировании
- Внесение собственных шумов активными элементами
- Чувствительность к разбросу параметров компонентов
Эти факторы необходимо учитывать при выборе между активными и пассивными фильтрами в конкретном применении.
Сравнение активных и пассивных фильтров нижних частот
Рассмотрим основные отличия активных и пассивных ФНЧ:
| Параметр | Активные ФНЧ | Пассивные ФНЧ |
|---|---|---|
| Компоненты | ОУ, резисторы, конденсаторы | Резисторы, конденсаторы, катушки |
| Крутизна спада АЧХ | Высокая (до -80 дБ/декаду) | Низкая (-20 дБ/декаду) |
| Затухание в полосе пропускания | Отсутствует | Присутствует |
| Максимальная частота | Единицы МГц | Сотни МГц и выше |
| Потребление энергии | Требуется питание ОУ | Не требуется |
Выбор типа фильтра зависит от конкретных требований применения.
Моделирование активных фильтров нижних частот
Для анализа и оптимизации характеристик активных ФНЧ широко применяется компьютерное моделирование в специализированных САПР:
- Построение АЧХ и ФЧХ фильтра
- Анализ переходных процессов
- Расчет коэффициента гармоник
- Оптимизация номиналов компонентов
- Анализ влияния разброса параметров
- Моделирование шумовых характеристик
Это позволяет быстро спроектировать фильтр с требуемыми параметрами без изготовления большого количества макетов.
|
Разделительный конденсатор на входе каскада в этом случае не обязателен. А это дополнительно повышает качество звучания.
Следует иметь в виду, что верхний предел перестройки полосы пропускания определяется выходным сопротивлением каскада на полевом транзисторе, а оно, в свою очередь, — сопротивлением резистора R4.
Его задача — создать противофазные напряжения для питания фильтрующего звена C2C3R4R5. В правом по схеме положении клавишного переключателя SA1 образуется обращенный мост Вина с затуханием около 3дБ.
Корпус должен быть металлическим, в противном случае придется снабдить его внутри экраном из медной фольги и соединить его с общим проводом.
— Радио, 2000, № 6, с. 46-48.Фильтр нижних частот схема
В этом разделе приведены схемы фильтров первого и второго порядков. Схемы сгруппированы по типам фильтров — фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, полосовые фильтры и Отметим, что под мальм значением Q подразумевается среднее Q соответствует значениям большое Q означает Схемы фильтров нижних частот 1. ФНЧ первого порядка рис. Передаточная функция: Коэффициент передачи в полосе пропускания, К: Частота среза для обеих схем: Рис.
ФНЧ первого порядка: а инвертирующий, б неинвертирующий.
Поиск данных по Вашему запросу:
Схемы, справочники, даташиты:
Прайс-листы, цены:
Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.
Содержание:
- Обзор ФНЧ для сабвуфера
- Аналоговые измерительные устройства
- Фильтры нижних частот
- Анализ фильтра низких частот
- Фильтры высоких и низких частот (частотный фильтр)
- Фильтр нижних частот
ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: подбор фильтра низких частот для динамика НОЭМА 100ГДН32-8
youtube.com/embed/cIMKyT4yNcA» frameborder=»0″ allowfullscreen=»»/>Обзор ФНЧ для сабвуфера
Если амплитудная характеристика фильтра второго порядка оказывается недостаточно крутой, следует применять фильтр более высокого порядка. Для этого последовательно соединяют звенья, представляющие собой фильтры первого и второго порядка. В этом случае характеристики звеньев фильтра перемножаются. Однако следует иметь в виду, что последовательное соединение, например двух фильтров Баттерворта второго порядка, не приведет к получению фильтра Баттерворта четвертого порядка.
Результирующий фильтр будет иметь другую частоту среза и другую частотную характеристику. Поэтому необходимо задавать такие коэффициенты звеньев фильтра, чтобы результат перемножения их частотных характеристик соответствовал желаемому типу фильтра. Для упрощения расчета фильтров полиномы их передаточных функций были факторизованы. Коэффициенты звеньев фильтра приведены в табл.
Эти фильтры могут быть как первого, так и второго порядка.
Для них необходимо лишь заменить коэффициенты на При расчете схемы в приведенные формулы следует подставлять требуемую частоту среза результирующего фильтра.
Звенья фильтра, как правило, имеют другие значения частот среза табл. В принципе безразлично, в каком порядке будут располагаться звенья при Рис. Амплитудно-частотные характеристики коэффициента передачи фильтра Чебышева десятого порядка с неравномерностью и его пяти звеньев.
Ее частотная характеристика в любом случае будет одной и той же. На практике, однако, существуют различные соображения о последовательности соединения звеньев фильтров.
Так, например, с точки зрения уменьшения вероятности перегрузки схемы лучше расположить эти фильтры в порядке возрастания частоты среза и фильтр с наименьшей частотой поместить на входе. В противном случае уже первый каскад может перегрузиться, тогда как на выходе второго каскада уровень сигнала будет значительно меньше предельного.
Дело в том, что фильтры с более высокой частотой среза, как правило, обладают более высокой добротностью полюсов и поэтому их частотная характеристика коэффициента передачи имеет подъем вблизи частоты среза.
Это иллюстрируется амплитудно-частотными характеристиками пяти звеньев фильтра Чебышева десятого порядка с неравномерностью приведенными на рис. Другая точка зрения на порядок расположения звеньев фильтра связана с обеспечением минимального уровня шумов на выходе.
В этом случае последовательность подключения фильтров должна быть обратной, поскольку наличие фильтра с наименьшей частотой среза в конце цепочки ослабляет шумы предыдущих каскадов.
Рассмотрим пример расчета фильтра Бесселя нижних частот, порядок которого равен трем. Он должен быть составлен из фильтров нижних частот первого рис. Коэффициент передачи постоянного сигнала всего фильтра должен быть равен единице. Для выполнения этого условия преобразователь полного сопротивления в звене первого порядка должен иметь коэффициент усиления а, равный единице.
Схема соответствующего фильтра нижних частот приведена на рис. Его частота среза составляет Гц.
Задав значение емкости конденсатора из выражения Фильтр Бесселя нижних частот третьего порядка с частотой среза Гц. Упрощенный фильтр Бесселя нижних частот третьего порядка с частотой среза Гц. При этом перед фильтром второго порядка будет включен простой пассивный фильтр нижних частот рис. Из-за взаимной нагрузки каскадов фильтра его параметры следует рассчитать снова, причем это оказывается существенно более сложной задачей по сравнению с расчетом развязанных фильтров. На рис. Его характеристики соответствуют характеристикам фильтра нижних частот, рассмотренного выше.
Основные положения 1. Пояснение применяемых величин 2. Диоды 3. Транзистор и схемы на его основе 4. Полевые транзисторы 5. Операционный усилитель 6.
Внутренняя структура операционных усилителей 7. Простейшие переключающие схемы 8. Базовые логические схемы 9. ОБЗОР 9. Оптоэлектронные приборы Применения Линейные и нелинейные аналоговые вычислительные схемы Управляемые источники и схемы преобразования полного сопротивления Активные фильтры Широкополосные усилители Усилители мощности Источники питания Аналоговые коммутаторы и компараторы Генераторы сигналов Комбинационные логические схемы Интегральные схемы со структурами последовательностного типа Микро-ЭВМ Цифровые фильтры Передача данных и индикация Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Измерительные схемы Электронные регуляторы Научная библиотека.
Наш канал. В принципе безразлично, в каком порядке будут располагаться звенья при. Оглавление Предисловие редактора перевода Часть I.
Аналоговые измерительные устройства
Всего на сайте: тыс. Рассмотрим основы построения активных RC-фильтров с обратными связями [6]. Активные RC-фильтры НЧ первого порядка получаются, если во входной цепи ОУ включить активное сопротивление, а в цепи отрицательной обратной связи — частотно-зависимую RC-цепь в виде параллельного соединения сопротивления и емкости рисунок 8. Если в цепь обратной связи ОУ включить активное сопротивление, а во входной цепи поместить частотно-зависимую RC-цепь в виде последовательного соединения сопротивления и емкости, то получится активный RC-фильтр верхних частот первого порядка рисунок 8. Другим способом реализации активных RC-фильтров [6] является использование ОУ в качестве преобразователя сопротивления рисунок 8.
параметров схем активных фильтров (Саллена и Кея), режимов их работы Построить схему активного фильтра нижних частот, установив расчётные.
Фильтры нижних частот
Применение положительной обратной связи позволяет увеличивать добротность полюса фильтра. При этом полюс фильтра можно реализовать на RC элементах, которые значительно дешевле и в данном диапазоне частот меньше по габаритам индуктивностей. Кроме того, величина емкости конденсатора, входящего в состав активного фильтра может быть уменьшена, так как в ряде случаев усилительный элемент позволяет увеличивать ее значение. Применение конденсаторов с малой емкостью позволяет выбирать их типы, обладающие малыми потерями и высокой стабильностью параметров. При проектировании активных фильтров фильтр заданного порядка разбивается на звенья первого и второго порядка. Результирующая АЧХ получится перемножением характеристик всех звеньев. Применение активных элементов транзисторов, операционных усилителей позволяет исключить влияние звеньев друг на друга и проектировать их независимо. Это обстоятельство значительно упрощает и удешевляет проектирование и настройку активных фильтров.
Данная схема позволяет реализовать полюс коэффициента передачи на нулевой частоте, величинами сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора C1 можно задать его частоту среза.
Анализ фильтра низких частот
Если амплитудная характеристика фильтра второго порядка оказывается недостаточно крутой, следует применять фильтр более высокого порядка. Для этого последовательно соединяют звенья, представляющие собой фильтры первого и второго порядка. В этом случае характеристики звеньев фильтра перемножаются. Однако следует иметь в виду, что последовательное соединение, например двух фильтров Баттерворта второго порядка, не приведет к получению фильтра Баттерворта четвертого порядка. Результирующий фильтр будет иметь другую частоту среза и другую частотную характеристику.
Схема простейшего фильтра нижних частот приведена на рис.
Фильтры высоких и низких частот (частотный фильтр)
Схема фильтра низких частот Категория: Аудио. Схема режекторного фильтра 50 Гц Схема семиполосного эквалайзера Схема предусилителя-эквалайзера Схема пятиканальной цветомузыкальной установки Простой усилитель 12 Вт с эквалайзером Схема деки Hi-Fi Схема широкополосного телевизионного усилителя Двухполосной усилитель.
Чем удобнее всего паять? Паяльником W. Радиоприемник на пяти транзисторах.
Фильтр нижних частот
Методические указания: практическая работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий. Перечень моделируемых схем и заданий определяется преподавателем в зависимости от подготовленности группы и продолжительности занятий. Фильтрация — преобразование сигналов с целью изменения соотношения между их различными частотными составляющими. Фильтры обеспечивают выделение полезной информации из смеси информационного сигнала с помехой с требуемыми показателями. Основная задача выбора типа фильтра и его расчета заключается в получении таких параметров, которые обеспечивают максимальную вероятность обнаружения информационного сигнала на фоне помех. Частотно- избирательная цепь, выполняющая обработку смеси сигнала и шума некоторым наилучшим образом, называется оптимальным фильтром. Критерием оптимальности принято считать обеспечение максимума отношения сигнал-шум.
Фильтр нижних частот представляет собой электрическую схему, которая пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот.
Схему на рисунке 3. Более универсальная, хотя и более сложная схема ФНЧ приведена на рисунке 3. Это так называемое — биквадратное звено. В ней при условии, что , клемму можно использовать как выходное напряжение звена эллиптического фильтра или инверсного фильтра Чебышева.
Сложность современных объектов, содержащих сотни тысяч, а порой и миллионы компонентов, делает их проектирование традиционными ручными методами с обязательным изготовлением макета практически невозможным. Именно по этой причине резко возрос интерес разработчиков электронной аппаратуры к автоматизированным системам проектирования САПР и входящим в их состав подсистемам моделирования. Математическое моделирование устройств промышленной электроники проводится как альтернатива физическому моделированию с целью уменьшения производственных затрат, либо с целью оптимизации параметров разработанных схем. Задача оптимизации параметров, как правило, отличается большой сложностью и требует для своего решения значительных затрат машинного времени.
На рис. Коэффициент передачи в комплексном виде может быть выражен формулой:.
Оцифровка аналогового сигнала применяется в большинстве систем сбора данных DAQ. Таких приложений очень много — от измерения температуры до измерения светосилы. При разработке DAQ-систем перед аналого-цифровым преобразователем АЦП, ADC обычно необходимо разместить сглаживающий фильтр, чтобы избавиться от части спектра — высокочастотного шума и сигнала. На рисунке 1 изображена общая структурная схема подобной системы. Структурная схема системы обработки данных. Первичным в системе сбора данных является сигнал, например, с аналогового датчика Vs. На выходе буферного усилителя есть пара элементов — резистор и конденсатор, — которые согласовывают выход ОУ со входом АЦП.
Фильтры — это схемы, которые пропускают без затухания ослабления определенную полосу частот и подавляют все остальные частоты. Частота, на которой начинается подавление, называется частотой среза f с рис. Частотная характеристика фильтра нижних а и верхних б частот.
Влияние фильтра на прямоугольный сигнал.
Активный фильтр нижних частот: 13 фактов, о которых не знает большинство новичков!
- Определение активного ФНЧ
- Что делает активный ФНЧ?
- Компоненты активного ФНЧ
- Частотный отклик
- Дизайн активен LPF
- Частотное масштабирование
- Функция передачи
- Что такое ФНЧ второго порядка
- Передаточная функция активного ФНЧ второго порядка
- Разработайте активный ФНЧ второго порядка
- Сравнение активного ФНЧ и пассивного ФНЧ
- Почему мы используем активный ФНЧ
- Преимущества активного ФНЧ
- Часто задаваемые вопросы
Перво-наперво, давайте обсудим, что такое простой Фильтр низких частот —
Фильтр нижних частот — это тип фильтра, который в основном пропускает сигналы с частотой ниже определенной частоты среза и ослабляет все частоты выше диапазона среза.
».
».Теперь Активный фильтр низких частот Фильтр изготовлен из активные компоненты как ОУ, резисторы, а также передает низкочастотные сигналы с меньшим сопротивление и имеет постоянное усиление на выходе от нуля до частоты среза.
Компоненты активного фильтра низких частот:Активные фильтры состоят из активных компонентов, как следует из названия, таких как операционный усилитель, Транзисторы или FET в схеме.
Активный фильтр обычно состоит из усилителей, конденсаторов и резисторов.
Так что вообще, Активный фильтр низких частот любой фильтр, использующий ОУ для повышения производительности и предсказуемости при такой низкой стоимости.
Как работает активный фильтр нижних частотАктивный фильтр низких частот
На приведенном выше рисунке это часто используемый активный фильтр нижних частот.
Сопротивление R =
Fc = частота отсечки
Ωc = частота отсечки
C = емкость
Частоту среза можно изменить, умножив ее на RC или C.
Передаточная функция активного фильтра нижних частот первого порядка:Дифференциальное уравнение для фильтра —
Активный ФНЧ второго порядка:Что такое ФНЧ второго порядка?Для создания фильтра второго порядка мы обычно используем операционный усилитель, и поэтому фильтр второго порядка также можно назвать фильтром VCVS; где VCVS относится к усилителю «Источник управляющего напряжения». Мы разрабатываем фильтр второго порядка вместе с активным RC-фильтром первого порядка.
Поскольку это фильтр нижних частот, он пропускает только низкочастотные сигналы и ослабляет все более высокие частоты выше указанного диапазона частот.
Фильтр нижних частот второго порядка более точно ослабляет высокочастотные сигналы. Усиление уменьшается со скоростью 12 дБ на октаву. В противном случае это 40 дБ / декада.
Схема ФНЧ второго порядка
В фильтре второго порядка
Если номиналы резистора и конденсатора разные,
Когда номиналы резистора и конденсатора одинаковы,
Передаточная функция активного фильтра нижних частот второго порядка:Передаточная функция обозначается как,
Величина передаточной функции —
Где ωc это частота среза.
Приведены АЧХ активных фильтров нижних частот второго порядка.
АЧХ ФНЧ 2-го порядкаРазработка активного фильтра нижних частот второго порядка
Сначала выбираем значение частоты среза ωc (или фc).
Найдите R,
- Rf идет как —
Rf = К (2Р) = 3.172 Р.
- Найдите R1 при K = 1.586
- Активные компоненты фактически более дорогие, поэтому активные фильтры тоже дороги, тогда как стоимость пассивных фильтров ниже из-за наличия пассивных компонентов.
- Схема активного фильтра нижних частот сложна, а схема пассивного фильтра нижних частот менее сложна.
- Для работы активного ФНЧ нам понадобится внешний источник питания. Но пассивные фильтры не требуют внешнего питания, потому что они управляют энергией для своей работы от приложенного входного сигнала.
- Пассивные фильтры содержат больше компонентов, чем активный фильтр нижних частот; вот почему они тяжелее.
- Активные ФНЧ более чувствительны при изменении температуры, но пассивные проявляют меньшую чувствительность с ростом температуры.
Благодаря менее сложной схеме и более низкой цене, чем другие активные фильтры, мы используем Active LPF во многих областях..
Ознакомьтесь с ними здесь — Приложения с фильтром низких частот.
- Фильтр нижних частот используется в фильтрах «шипение».
- Эти фильтры также используются в АЦП. В этих схемах они действуют как фильтр сглаживания.
- ФНЧ также используются для предотвращения излучения гармоник от РЧ-передатчиков.
- Эти фильтры также находят применение в музыкальных системах. В этих фильтрах отсутствуют высокочастотные составляющие.
- Для передаточной функции с индуктивными характеристиками он может обеспечить удовлетворительный выход в приемлемом диапазоне частот.
- Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс операционный усилитель сделать цепь отлично при каскадировании.
- Благодаря лучшему усилению он обеспечивает большее усиление.
3 дБ — это уровень мощности, при котором частота среза на 3 дБ ниже максимального значения, а 3 дБ обычно составляет половину максимальной мощности.
Узнать больше об электронике нажмите сюда
Схема активного фильтра нижних частот операционного усилителя» Electronics Notes
Фильтры нижних частот, использующие операционные усилители или схемы операционных усилителей, обеспечивают простой и эффективный метод создания этих фильтров с минимальным количеством электронных компонентов.
Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение
Сводка по цепям
Инвертирующий усилитель
Суммирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель
Усилитель с переменным усилением
Активный фильтр верхних частот
Активный фильтр низких частот
Полосовой фильтр
Режекторный фильтр
Компаратор
триггер Шмитта
Мультивибратор
Бистабильный
Интегратор
Дифференциатор
Генератор моста Вина
Генератор фазового сдвига
Операционные усилители или операционные усилители представляют собой очень эффективное средство для создания активных фильтров нижних частот, обеспечивающих высокий уровень производительности.
Включив фильтрующие элементы в контур обратной связи схемы операционного усилителя, можно создать фильтр нижних частот, который очень легко создать с минимальным количеством электронных компонентов и без необходимости в катушках индуктивности, которые могут быть большими и дорогими, а также не так широко доступны, как конденсаторы и резисторы.
Фильтры нижних частот, использующие схемы операционных усилителей, легко спроектировать и построить в небольшом пространстве, что делает их идеальными для многих областей проектирования электронных схем.
Что такое фильтр нижних частот
Как следует из названия, фильтр нижних частот — это фильтр, пропускающий низкие частоты и подавляющий более высокие частоты.
Фильтры нижних частот используются во многих приложениях для ограничения ширины полосы сигнала. Например, перед блоком схемы аналого-цифрового преобразования можно использовать фильтр нижних частот, чтобы ограничить вход верхних частот и предотвратить наложение.
Точно так же они используются с цифро-аналоговым преобразованием для удаления псевдонимов на высоких частотах. Они также используются в передатчиках для предотвращения гармоник излучаемого сигнала, и аналогичным образом их можно использовать после радиочастотных смесителей для удаления нежелательных генерируемых высоких частот. Им также можно предъявить иск во многих других областях проектирования электронных схем.
Таким образом, фильтры нижних частот используются во многих областях проектирования электронных схем, где требуются низкие частоты, но необходимо отбрасывать более высокие частоты.
Кривая отклика фильтра нижних частотФорма кривой имеет важное значение, поскольку такие характеристики, как частота среза и спад, являются ключевыми для работы.
Частота среза обычно принимается за точку, в которой отклик снижается на 3 дБ, как показано на рисунке.
Другой важной особенностью является окончательный наклон ската. Обычно это определяется количеством «полюсов» в фильтре.
Обычно на каждый конденсатор и катушку индуктивности в фильтре приходится по одному полюсу.
При построении графика в логарифмическом масштабе максимальный спад становится прямой линией, а отклик падает с максимальной скоростью спада. Это 6 дБ на полюс внутри фильтра. Этот фильтр с одним конденсатором имеет спад 6 дБ на октаву, а фильтр нижних частот с двумя конденсаторами и катушкой индуктивности будет иметь спад 18 дБ на октаву.
Традиционные пассивные фильтры нижних частот могут использовать резисторы и конденсаторы, а для тех, у кого показатели лучше, можно использовать и конденсаторы. Однако катушки индуктивности дороги, и особенно на низких частотах их также следует избегать из-за их размера.
В результате этого активные фильтры нижних частот являются гораздо лучшим вариантом для многих областей проектирования электронных схем.
Что такое активный фильтр
Существуют как активные, так и пассивные фильтры, которые можно использовать в электронных схемах.
Как следует из названия, пассивный фильтр — это фильтр, в котором используются только пассивные электронные компоненты: катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы
Активный фильтр — это фильтр, в котором используются активные электронные компоненты, а именно усилители.
Часто в активных фильтрах используются схемы на операционных усилителях, поскольку они позволяют добавлять компоненты фильтра, особенно включающие петлю отрицательной обратной связи.
При использовании подхода с активным фильтром можно получить лучшую производительность: использование усилителя, такого как операционный усилитель, предотвращает следующие этапы загрузки фильтра и ухудшения его производительности.
Кроме того, активный фильтр может иметь сложные полюса и нули без необходимости использования громоздких дорогих катушек индуктивности, что делает фильтр относительно простым в реализации с использованием резисторов и конденсаторов в качестве внешних электронных компонентов.
Еще одним преимуществом активного фильтра является то, что форма отклика, добротность и частота часто могут быть установлены с помощью недорогих переменных резисторов. В некоторых схемах активных фильтров можно регулировать один параметр, не затрагивая другие.
Цепь однополюсного активного фильтра нижних частот
Простейшая схема операционного усилителя для схемы фильтра нижних частот просто помещает конденсатор на резистор обратной связи. Это приводит к увеличению уровня обратной связи по мере увеличения частоты по мере того, как реактивное сопротивление конденсатора падает.
Эта форма очень простого фильтра обычно используется в тех случаях, когда требуется небольшая величина спада, и этого можно добиться, используя только один дополнительный электронный компонент.
Однополюсные фильтры нижних частот на операционных усилителях: инвертирующая и неинвертирующая конфигурации Точку излома для этого простого типа фильтра можно очень легко рассчитать, вычислив частоту, при которой реактивное сопротивление конденсатора равно сопротивлению резистора.
Этого можно добиться, используя формулу:
Xc=12 πf C
Где:
XC — это емкостное реактивное сопротивление в OHMS
π — греческая буква и равна 3,142
F — это частота в Герце
C — это емкость в Farads
Усиление в полосе пропускания для этих схем операционных усилителей рассчитывается обычным способом без учета влияния конденсатора.
Хотя эти схемы операционных усилителей полезны для снижения усиления на высоких частотах, они обеспечивают предельную скорость спада только в 6 дБ на октаву, т. е. выходное напряжение уменьшается вдвое при каждом удвоении частоты. Этот тип фильтра известен как однополюсный фильтр. Часто требуется гораздо большая степень подавления, и для этого можно включить фильтр с более высокими характеристиками в схему обратной связи.
Двухполюсная схема операционного усилителя фильтра нижних частот
Хотя с помощью операционного усилителя и нескольких дополнительных электронных компонентов можно сконструировать широкий спектр фильтров с разными уровнями усиления и разными характеристиками спада.
Фильтр прост, предлагает расчеты для одной электронной схемы и обеспечивает хорошее общее «безошибочное» решение.
Схема операционного усилителя обеспечивает единичное усиление и характеристику Баттерворта (наиболее плоская характеристика в диапазоне, но не самая быстрая для достижения предельного спада вне диапазона).
Если требуется другая реакция, то для них можно выполнить расчеты, хотя расчеты для проектирования электронных схем являются более сложными.
Схема активного операционного усилителя нижних частотс использованием операционного усилителя, двух резисторов и двух конденсаторов
Расчеты значений схемы очень просты для сценария Баттерворта и единичного усиления. Для схемы требуется критическое демпфирование, и это определяется соотношением номиналов резистора и конденсатора.
R1 = R2
C1 = 2C2
f = 24 π R c2
При выборе номиналов электронных компонентов убедитесь, что номиналы резисторов находятся в диапазоне от 10 кОм до 100 кОм.
Это целесообразно, поскольку выходное сопротивление схемы возрастает с увеличением частоты, и значения за пределами этой области могут повлиять на общую производительность схемы операционного усилителя.
Электронные компоненты для активных фильтров
Выбор электронных компонентов, используемых в активном фильтре, является ключом к успешной работе схемы.
Основная проблема заключается в правильной полосе пропускания фильтра. Изменения значений электронных компонентов в результате их допуска могут изменить полосу пропускания. В некоторых случаях это может быть не критично, но в других может быть. Во время проектирования электронной схемы это следует оценить и выбрать соответствующие компоненты.
В настоящее время металлопленочные резисторы доступны в виде выводов и устройств для поверхностного монтажа. Эти резисторы не только малошумящие, но их также можно купить в формах с малым допуском. Обычно они доступны в версиях с 1%, 2% или иногда 5%. Поскольку часто разница в стоимости незначительна, использование резисторов 2% является хорошим выбором.
Что касается конденсаторов, электролитические конденсаторы не являются хорошим выбором. Они не только поляризованы, но их терпимость очень плоха. Обычно электролитические конденсаторы имеют допуск от -20% до +80%, поэтому они совсем не точны.
Керамические конденсаторыобеспечивают хороший уровень производительности и обычно доступны в необходимых диапазонах. Они также доступны как для выводных устройств, так и для поверхностного монтажа. В зависимости от фактического диэлектрика доступны конденсаторы с очень высоким допуском, хотя, опять же, фактический допуск будет зависеть от приложения.
Конденсаторы из пластиковой пленки— еще один хороший выбор, так как многие типы имеют хорошие уровни допуска. Однако пленочные конденсаторы обычно доступны только в виде устройств с выводами, а не в виде устройств для поверхностного монтажа.
Фильтры нижних частот операционного усилителя просты в разработке, особенно когда используется тип фильтра Баттерворта, как указано выше.
Также могут быть разработаны более сложные конструкции с использованием различных типов фильтров, хотя математика становится более сложной, и необходимо принимать решения об оптимальном типе отклика и используемом фильтре. Для большинства применений базовый фильтр Баттерворта обеспечивает превосходную производительность фильтра.
Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
схемы полевых транзисторов
Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем . . .
Активный фильтр нижних частот
Ранее мы описали пассивный фильтр нижних частот, в этом руководстве мы рассмотрим, 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 каких-либо внешних прерываний или активного отклика. Но у него есть определенные ограничения .
Ограничения пассивного фильтра нижних частот :-
- Полное сопротивление цепи приводит к потере амплитуды. Так что Vout всегда меньше Vin.
- Усиление невозможно выполнить только с пассивным фильтром нижних частот.
- Характеристики фильтра сильно зависят от импеданса нагрузки.
- Коэффициент усиления всегда равен или меньше единичного усиления.
- Чем больше ступеней фильтра или порядка фильтра, тем меньше потеря амплитуды.
Из-за этого ограничения, если требуется усиление, лучше всего добавить активный компонент, который будет усиливать отфильтрованный выходной сигнал. Это усиление осуществляется с помощью операционного усилителя или операционного усилителя.
Поскольку для этого требуется источник напряжения, это активный компонент. Таким образом, имя Активный фильтр нижних частот .
Типовой 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 зависит от требований пользователя или проектировщика. Это могут быть Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp, которые обладают большой гибкостью. Выбор компонента также зависит от стоимости и эффективности, если он предназначен для продукта массового производства.
Ради простоты, экономии времени, а также растущих технологий в конструкции операционных усилителей, как правило, для разработки активного фильтра используется операционный усилитель.
Давайте посмотрим , почему мы должны выбрать операционный усилитель для разработки активного фильтра нижних частот :-
- Высокое входное сопротивление.
Из-за высокого входного импеданса входной сигнал не может быть разрушен или изменен. В общем или в большинстве случаев входной сигнал с очень низкой амплитудой может быть разрушен, если он используется в качестве схемы с низким импедансом. Операционный усилитель получил плюс в таких случаях. - Очень мало компонентов. Нужно всего несколько резисторов.
- Доступны различные типы операционных усилителей в зависимости от коэффициента усиления и характеристик напряжения.
- Низкий уровень шума.
- Проще спроектировать и внедрить.
Но, поскольку мы знаем, что нет ничего совершенно идеального, этот дизайн активного фильтра также имеет определенные ограничения.
Выходное усиление и полоса пропускания, а также частотная характеристика зависят от спецификации операционного усилителя.
Давайте исследовать дальше и понять, 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 воспроизводит то, что мы видим, но в увеличенной форме, чтобы лучше его распознавать.
В первом уроке по пассивному фильтру нижних частот мы узнали, что такое фильтр нижних частот. Фильтр нижних частот отфильтровывает низкие частоты и блокирует более высокие частоты синусоидального сигнала переменного тока. это Активный фильтр нижних частот работает так же, как пассивный фильтр нижних частот, с той лишь разницей, что здесь добавляется один дополнительный компонент, это усилитель как операционный усилитель .
Вот простой дизайн 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 коэффициент усиления по напряжению:
Формула частоты среза такая же, как и в пассивном фильтре нижних частот.
fc = 1 / 2πRC
Как описано в предыдущем уроке, fc — это частота среза, R — номинал резистора, а C — номинал 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: —
Коэффициент усиления усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1+R2/R3)
Кривая частотной характеристики:
Давайте посмотрим, что будет на выходе активного фильтра нижних частот или диаграммы Боде/частоты. Кривая отклика :-
Это конечный результат 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 угловой частоты начнется с точки -3dB . 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 среза частоты называется полосой пропускания фильтра, после чего называется полосой пропускания, из которой разрешено прохождение частоты.
Мы можем рассчитать коэффициент усиления по амплитуде путем преобразования коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя.
Расчет следующий
db = 20log(Af)
Это значение Af может быть коэффициентом усиления по постоянному току, который мы описали ранее путем вычисления сопротивления резистора или деления Vout на Vin.
Схема фильтра неинвертирующего и инвертирующего усилителя:
Эта схема активного фильтра нижних частот, показанная в начале, также имеет одно ограничение.
Его стабильность может быть нарушена при изменении импеданса источника сигнала. Напр. уменьшить или увеличить.
Стандартная практика проектирования может улучшить стабильность, удалив конденсатор со входа и подключив его параллельно второму резистору обратной связи операционного усилителя .
Вот схема Неинвертирующий активный фильтр нижних частот-
На этом рисунке, если мы сравним его со схемой, описанной в начале, мы увидим, что положение конденсатора изменено для импеданса относительная стабильность . В этой конфигурации внешний импеданс не влияет на реактивное сопротивление конденсаторов, таким образом, повышается стабильность .
В той же конфигурации, если мы хотим инвертировать выходной сигнал, мы можем выбрать конфигурацию инвертирующего сигнала операционного усилителя и подключить фильтр к этому инвертированному операционному усилителю.
Вот схема реализации инвертированного активного фильтра нижних частот :-
Это активный фильтр нижних частот в инвертированной конфигурации. Операционный усилитель подключен инверсно . В предыдущем разделе вход был подключен к положительному входному выводу операционного усилителя, а отрицательный вывод операционного усилителя использовался для создания схемы обратной связи. Здесь схема перевернута. Положительный вход соединен с заземлением, а конденсатор и резистор обратной связи подключены к отрицательному входному контакту операционного усилителя. Это называется инвертированной конфигурацией 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 использовалась для усиления по напряжению и последующего усиления.
Мы можем сделать это, используя усилитель с единичным усилением, это означает, что выходная амплитуда или усиление будут такими же, как и входные: 1x . Вин = Vвых.
Не говоря уже о том, что это также конфигурация операционного усилителя, которую часто называют конфигурацией повторителя напряжения, где операционный усилитель создает точную копию входного сигнала.
Давайте посмотрим на схему и как настроить операционный усилитель в качестве повторителя напряжения и сделать активным фильтр нижних частот с единичным усилением :-
На этом изображении резисторы обратной связи операционного усилителя удалены. Вместо резистора отрицательный вход операционного усилителя соединен напрямую с выходным операционным усилителем. Эта конфигурация операционного усилителя называется Конфигурация повторителя напряжения . Прибыль 1х. 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 конфигурации неинвертирующего операционного усилителя.
Технические характеристики:-
- Входное сопротивление 10 кОм
- Усиление будет 10x
- Частота среза будет 320 Гц
Давайте сначала рассчитаем значение, прежде чем создавать схему: —
Коэффициент усиления усилителя (амплитуда постоянного тока) (Af) = (1+R3/R2) (Аф) = (1+R3/R2) Аф = 10
R2= 1k (Нам нужно выбрать одно значение; мы выбрали R2 как 1k для уменьшения сложности вычислений).
Сложив значения, мы получим
(10) = (1+R3/1)
Мы рассчитали, что значение третьего резистора равно 9k .
Теперь нам нужно рассчитать номинал резистора по частоте среза.
Поскольку активный фильтр нижних частот и пассивный фильтр нижних частот работают одинаково, формула среза частоты такая же, как и раньше.
Проверим номинал конденсатора, если частота среза 320Гц, мы выбрали номинал резистора 4,7к .
fc = 1 / 2πRC
Объединяя все значения, мы получаем: —
Решая это уравнение, мы получаем значение емкости конденсатора равное 106 нФ приблизительно
Следующим шагом является расчет усиления . Формула усиления такая же, как у пассивного фильтра нижних частот. Формула усиления или амплитуды в дБ выглядит следующим образом: —
20log(Af)
Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя составляет 10x, величина в дБ составляет 20log(10). Это 20 дБ .
Теперь, когда мы уже рассчитали значения, пришло время построить схему. Давайте сложим все вместе и построим схему: —
Мы построили схему на основе значений, рассчитанных ранее.
Мы обеспечим от 10 Гц до 1500 Гц частотой и 10 точек на декаду на входе активного фильтра нижних частот и будем исследовать дальше, чтобы увидеть, составляет ли частота среза 320 Гц или нет на выходе усилителя.
Это кривая частотной характеристики . Зеленая линия начинается от 10 Гц до 1500 Гц, так как входной сигнал подается только для этого диапазона частот.
Поскольку мы знаем, что угловая частота всегда будет на уровне -3 дБ от максимальной величины усиления. Здесь усиление составляет 20 дБ. Итак, если мы узнаем, что точка -3dB получит 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 получите 317,950 Гц или 318 Гц , что близко к 320 Гц .
Мы можем изменить значение конденсатора на стандартное, как 100 нФ , не говоря уже о том, что угловая частота также будет зависеть от нескольких Гц.
Активный фильтр нижних частот второго порядка:
Можно добавить больше фильтров на один операционный усилитель, например, активный фильтр нижних частот второго порядка. В этом случае, как и в случае с пассивным фильтром, 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 фильтра, сложенные вместе. Это фильтр второго порядка. Это широко используемый фильтр и промышленное применение в качестве усилителя, схемы музыкальной системы до усиления мощности.
Как видите, операционный усилитель один. Коэффициент усиления по напряжению такой же, как указано ранее, при использовании двух резисторов.
(Аф) = (1+R3/R2)
Частота среза равна
Следует помнить одну интересную вещь: если мы хотим добавить больше операционных усилителей, состоящих из фильтров первого порядка, коэффициент усиления будет умножен на каждый отдельный .
Смущенный? Может схема нам поможет.
Чем больше добавлен операционный усилитель, тем больше умножается коэффициент усиления . См. рисунок выше. На этом изображении два операционных усилителя соединены каскадом с отдельным операционным усилителем. В этой схеме каскадный операционный усилитель. Если первый имеет 10-кратное усиление, а второй — 5-кратное усиление, то общее усиление будет 5 x 10 = 50-кратное усиление.
Таким образом, величина схемы каскадного фильтра нижних частот операционного усилителя в случае двух операционных усилителей составляет: —
дБ = 20log(50)
Решая это уравнение, получаем 34 дБ. Таким образом, коэффициент усиления каскадного фильтра нижних частот операционного усилителя равен
. TdB = 20log(Af1*Af2*Af3*......Afn)
Где TdB = Total Magnitude
Вот как устроен активный фильтр нижних частот. В следующем уроке мы увидим, как можно построить активный фильтр верхних частот.
Но перед следующим уроком давайте посмотрим, каковы применения активного фильтра нижних частот: —
Приложения
Активный фильтр нижних частот можно использовать в нескольких местах, где пассивный фильтр нижних частот нельзя использовать из-за ограничений, связанных с усилением или процедурой усиления. Кроме того, активный фильтр нижних частот можно использовать в следующих местах:-
Фильтр нижних частот широко используется в электронике.
Вот несколько применений активного фильтра нижних частот:
- Выравнивание басов перед усилением мощности
- Фильтры, связанные с видео.
- Осциллограф
- Система управления музыкой и частотная модуляция басов, а также перед вуфером и высокими басовыми динамиками для вывода басов.
- Функциональный генератор для обеспечения регулируемого выхода низкой частоты при различном уровне напряжения.
- Изменение формы частоты на другой волне.
Типы активных фильтров нижних частот
Содержание
Активный фильтр Активный фильтр представляет собой фильтр, состоящий из одного или нескольких активных компонентов, таких как транзисторы, усилители или операционные усилители.
В отличие от пассивных фильтров активные фильтры имеют коэффициент усиления, который можно изменить. Они имеют высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление, что сводит на нет эффект нагрузки, возникающий в пассивных фильтрах.
Фильтр нижних частот или LPF — это тип фильтра, который пропускает сигналы с частотой ниже определенной частоты, известной как частота среза, и блокирует сигналы более высокой частоты.
Фильтры нижних частот двух типов
- Пассивный фильтр нижних частот
- Активный фильтр нижних частот
В этой статье мы обсудим только активный фильтр нижних частот, так как о пассивных фильтрах нижних частот мы уже рассказывали в отдельной статье. Активные фильтры нижних частот классифицируются в соответствии с порядком фильтра. Мы обсудим 1 st и 2 nd Закажите активные фильтры нижних частот.
- Запись по теме: Фильтры, типы фильтров и их применение
Активный фильтр нижних частот первого порядка — это простой фильтр, состоящий только из одного реактивного компонента, т. е. конденсатора, вместе с активным компонентом Операционный усилитель . Резистор используется с конденсатором или индуктором для формирования фильтра нижних частот RC или RL соответственно. В этой статье кратко обсуждаются активные RC-фильтры нижних частот на операционных усилителях.
Скорость спада фильтра нижних частот первого порядка составляет -20 дБ/декада или – 6 дБ/октава. Скорость спада зависит от порядка фильтра.
Скорость спада = -20n дБ/декада = -6n дБ/октава
Где n = порядок фильтра
Необходимо уже знать базовую конфигурацию операционного усилителя до его реализации. Операционный усилитель можно использовать в следующих конфигурациях:
- Неинвертирующий (повторитель напряжения) Конфигурация
- Буфер (единичное усиление)
- Конфигурация инвертирования
Связанный пост: Типы пассивных фильтров верхних частот
Конфигурация без инвертирования или повторителя напряжения: Как вы знаете, в конфигурации повторителя напряжения входной сигнал подается на положительный вывод операционного усилителя.
выходное напряжение находится в фазе с входным напряжением, поэтому он называется повторителем напряжения. Но для достижения желаемого результата (фильтра нижних частот) схема может быть выполнена в различных конфигурациях.
Мы обсудим две такие конфигурации, каждая из которых имеет некоторые преимущества перед другой.
Стандартная конфигурация операционного усилителя:Стандартная конфигурация подразумевает использование операционного усилителя в качестве отдельного усилителя на выходе традиционной RC-схемы фильтра нижних частот. Это может быть реализовано из схем, приведенных ниже.
Коэффициент усиления этого повторителя напряжения определяется выражением:
Коэффициент усиления = A = 1+ (R 2 /R 1 )
Мы можем использовать его с усилением или без него в зависимости от требований фильтра.
- Связанный пост:Типы активных фильтров верхних частот
Единичный коэффициент усиления или конфигурация буфера
В такой конфигурации коэффициент усиления операционного усилителя остается равным единице (единице), т.
е. амплитуда выходного сигнала равна амплитуде входного сигнала. Резистор обратной связи отсутствует, поэтому коэффициент усиления ОУ (усилителя) становится равным 1.
Схема фильтра нижних частот повторителя напряжения с единичным усилением приведена ниже.
Тот факт, что это конфигурация повторителя напряжения, выходной сигнал будет точно такой же копией входного сигнала.
Пример:
Давайте смоделируем пример этой схемы, используя Proteus, чтобы оценить частотную характеристику этой схемы.
Используемый в этом примере резистор 10 кОм и конденсатор 104 нФ.
Таким образом, частота среза этого фильтра будет:
Вот смоделированный график с использованием Proteus, который ясно показывает угловую частоту (частоту среза), которая на самом деле составляет -3 дБ.
Здесь возникает вопрос: «Почему мы используем операционный усилитель, когда усиления нет?». Ответ заключается в том, чтобы обеспечить высокое входное и низкое выходное сопротивление.
Использование операционного усилителя с единичным коэффициентом усиления между каскадами многокаскадных усилителей обеспечивает максимальную передачу сигнала на последующий каскад.
- Запись по теме: Типы диодов и их применение
Этот тип фильтра использует операционный усилитель в качестве усилителя напряжения. Аспект усиления этой конфигурации обеспечивает усиление по напряжению для любого более слабого входного сигнала. Схема неинвертирующего RC-фильтра нижних частот приведена ниже;
Первая часть схемы, то есть резистор R и конденсатор C, образуют традиционный RC-фильтр нижних частот, который имеет те же свойства, что и пассивные RC-фильтры нижних частот. Вторая часть приведенной выше схемы — это операционный усилитель, обеспечивающий усиление по напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению:
Резистор обратной связи R 2 и R 1 отвечает за коэффициент усиления усилителя.
Уравнение, используемое для коэффициента усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:
Коэффициент усиления = A v = 1+ (R 2 /R 1 )
Частота среза;
Частота среза, также известная как частота -3 дБ, определяется резистивно-емкостным фильтром, подключенным ко входу операционного усилителя. Частота -3 дБ определяется выражением;
- Запись по теме: Типы выпрямителей и их работа
Коэффициент усиления на частоте среза:
В пассивных фильтрах коэффициент усиления на частоте среза считается равным -3дБ . Это связано с тем, что пассивные фильтры имеют единичное усиление, т.е. 0 дБ . Таким образом, точка частоты среза определяется как 0 дБ – 3 дБ = -3 дБ
Принимая во внимание, что усиление активного фильтра на угловой частоте будет -3 дБ усиления фильтра.
усиление активного фильтра в децибелах;
Усиление A v в дБ = 20 log(A v )
Предположим, что усиление активного фильтра равно 10 дБ .
Таким образом, усиление на частоте среза этого фильтра будет равно;
Усиление при f c = 10 дБ – 3 дБ = 7 дБ
Система разрешает любую частоту ниже этой точки отсечки и блокирует все более высокие частоты.
Таким образом, полоса пропускания системы становится f c Гц.
- Сообщение по теме: Счетчик и типы электронных счетчиков
Пример :
Мы собираемся использовать Proteus для моделирования этой схемы и ее частотной характеристики.
В этом примере используются резисторы R = 10 кОм, R 1 = 1 кОм и R 2 = 9 кОм
и конденсатор C = 104 нФ.
Итак, частота среза фильтра равна ;
усиление фильтра;
Коэффициент усиления в дБ;
A v = 20 log(10)
A v = 20 дБ
Таким образом, усиление на частоте среза равно;
Усиление при f c = 20 дБ – 3 дБ = 17 дБ
Чтобы подтвердить наши расчеты, мы смоделируем эту схему в Proteus и оценим ее частотную характеристику.
Из приведенной выше частотной характеристики видно, что частота среза составляет 153 Гц при усилении 17 дБ.
Полоса пропускания этого фильтра составляет 153 Гц.
- Запись по теме: Типы цифровых защелок — защелки SR D
У этой конструкции есть один недостаток. Выходной импеданс не меняется, но входной импеданс может изменяться из-за импеданса источника. Он может либо уменьшиться, либо увеличиться, что повлияет на характеристики отклика фильтра.
Улучшенная конструкция
Для улучшения конструкции описанного выше фильтра положение конденсатора изменено с входной стороны схемы на параллельное соединение с резистором обратной связи. Таким образом, импеданс источника входного сигнала не повлияет на импеданс фильтра. Схема для неинвертирующего фильтра нижних частот приведена ниже:
Частота среза этого фильтра рассчитывается по формуле:
Коэффициент усиления фильтра такой же, как и в предыдущей конструкции, т.
е.0009
Усиление = A v = 1+ (R 2 /R 1 )
И усиление на частоте среза рассчитывается путем вычитания 3 дБ из усиления фильтра в дБ.
Пример:
Давайте смоделируем цепь с одинаковыми номиналами конденсатора и резистора, используя программу Proteus.
Резистор R 2 = 9 кОм и R 1 = 1 кОм и конденсатор C = 104 нФ .
Используя уравнение частоты среза, вычисляем;
Где усиление фильтра;
Перевод усиления фильтра в децибелы;
A v = 20 log(10)
A v = 20 дБ
Таким образом, усиление на частоте среза равно;
Усиление при f c = 20 дБ – 3 дБ = 17 дБ
Точка частоты среза 170 Гц лежит при усилении 17 дБ. Мы можем подтвердить это, наблюдая за частотной характеристикой схемы с помощью Proteus.
Этот тип фильтра изготавливается с использованием операционного усилителя в инвертирующей конфигурации. В инвертирующей конфигурации входной сигнал подается на отрицательную клемму операционного усилителя, а положительная клемма заземлена. Выход этого фильтра инвертируется, за исключением того, что частотная характеристика такая же, как у неинвертирующего фильтра.
Схема фильтра нижних частот инвертирующего усилителя показывает входной сигнал, подаваемый на отрицательную клемму операционного усилителя.
Уравнение для частоты среза этого фильтра:
Кроме того, коэффициент усиления системы рассчитывается с использованием уравнения;
A v = – (R 2 /R 1 )
Знак минус показывает, что выход инвертирован.
Это фильтр первого порядка, что означает, что скорость спада частотной характеристики составляет -20 дБ/декада или -6 дБ/октава .
Ниже приведен пример схемы нижних частот инвертирующего усилителя.
Предположим, что резистор R 1 = 1 кОм, R 2 = 10 кОм и конденсатор C = 150 нФ
Частота среза фильтра равна;
Коэффициент усиления фильтра составляет;
Коэффициент усиления этого фильтра равен 10. Знак минус означает, что выход инвертирован.
Преобразование усиления в дБ;
A v = 20 log(10)
A v = 20 дБ
Таким образом, коэффициент усиления на частоте среза равен;
Усиление при f c = 20 дБ – 3 дБ = 17 дБ
График частотной характеристики в данном примере моделируется с помощью Proteus. На графике четко видна точка усиления 17 дБ, при которой угловая частота составляет 106 Гц.
Частота среза указана в левом нижнем углу, а усиление указано в правом нижнем углу для выбранной точки.
Частота блокирует любые более высокие частоты с этой точки.
- Сообщение по теме: Типы конденсаторов | Фиксированный, переменный, полярный и неполярный
Активный фильтр нижних частот второго порядка очень часто используется во многих приложениях.
Фильтр второго порядка имеет спад 40 дБ/декаду или 12 дБ/октаву. В то время как фильтр первого порядка имеет 20 дБ/декаду или 6 дБ/октаву.
Чтобы получить фильтр второго порядка, достаточно просто каскадировать два фильтра первого порядка. Другие конструкции 2 9Фильтры порядка 0553 nd названы в честь их изобретателя, такие как фильтр Саллена-Ки, фильтр Баттерворта, фильтр Чебышева и Бесселя и т. д. . Схема каскадирования двух фильтров порядка 1 -st приведена ниже:
На этой схеме показан неинвертирующий фильтр, соединенный каскадом. Каскадирование двух инвертирующих фильтров также образует 2 nd закажите фильтр с теми же характеристиками, что и этот фильтр.
Gain Of Filter
The gain of the second order filter is a product of gain of both stages i.e.
Gain, A v = A s1 x A s2
A S1 = 1 + (R 2 /R 1 )
A S2 = 1 + (R 4 /R 3 )
. дБ, то общий коэффициент усиления рассчитывается путем суммирования обоих коэффициентов усиления.A v (в дБ) = A с1 + A с2
Частота среза :
5 Уравнение для частоты среза;
, если резистор R s1 = R s2 = R и конденсатор C s1 = C s2 = C , тогда уравнение принимает вид;
Коэффициент усиления на частоте среза;
Как мы знаем, усиление на частоте среза для первой ступени фильтра составляет -3 дБ.
То же, что и в случае с фильтром второй ступени. Когда вы объединяете их вместе, усиление на частоте среза для всех фильтров составляет -6 дБ. Подтвердим это на примере.
Example:
Let’s suppose the R s1 = R s2 = 10 kΩ & capacitor C s1 = C s2 = 150 nF , and the gain resistors R 1 = 1 кОм, R 2 = 9 кОм, R 3 = 1 кОм, R 4 = 1 кОм .
Поскольку резисторы и конденсаторы RC-цепи имеют одинаковые номиналы, частота среза становится равной;
Коэффициент усиления усилителя первого каскада;
Коэффициент усиления второй ступени;
Общий коэффициент усиления фильтра;
А v = 10 x 2
А v = 20;
Суммарное усиление в дБ;
A v = 20 log(20)
A v ≈ 26 дБ
Таким образом, усиление на частоте среза равно;
Коэффициент усиления при f c = 26 дБ – 6 дБ = 20 дБ.
Мы можем подтвердить результат смоделированного графика частотной характеристики с помощью Proteus.
Фильтр низких частот Sallen-Key:
Топологические фильтры Sallen-Key включают различные частотно-селективные фильтры 2 и порядка, включая фильтры нижних частот, верхних частот, полосовой и режекторный фильтры.
Это форма источника напряжения, управляемого напряжением (VSVS), в котором используется один операционный усилитель с двумя конденсаторами и двумя резисторами. И конечно два других резистора для усиления фильтра.
Имеется две сети фильтров RC, т.е. R 1 C 1 и R 2 C 2 . Эти два фильтра задают характеристики частотной характеристики фильтра.
Частота среза этого фильтра;
Если резистор R 1 = R 2 = R & Конденсатор C 1 = C 2 = C, уравнение частоты среза принимает вид;
Усиление фильтра определяется выражением;
А = 1 + (R б /R а )
- Сообщение по теме: Различные типы датчиков с приложениями
Коэффициент качества Q определяет поведение частотной характеристики системы, т.
е. в условиях повышенной влажности, избыточной влажности или критической влажности. Эти системы обсуждаются ниже;
Принимая во внимание, что уравнение для добротности Q фильтра нижних частот Sallen-Key имеет вид;
Частотная характеристика фильтра Саллена-Ки изменяется в зависимости от коэффициент усиления A , Коэффициент качества Q и коэффициент демпфирования ζ (дзета). Коэффициент добротности и коэффициент затухания ζ обратно пропорциональны друг другу
Это показывает, что коэффициент добротности зависит от коэффициента усиления фильтра (учитывая, что резистор и конденсатор одинаковы). Таким образом, коэффициент усиления A для неинвертирующего усилителя должен быть между 3 и 1. Коэффициент демпфирования ζ должен быть между 0 и 2.
Помните, что эти условия применяются только тогда, когда резистор R 1 = R 2 и конденсаторы C 1 = C 2 .
- По теме: Резистор и типы резисторов | Фиксированный, переменный, линейный и нелинейный
- Если Q < ½, система называется с избыточным демпфированием . В системе некачественный фактор . он не колеблется ни на какой частоте. Некачественный фильтр действует как 1 st заказать ФНЧ.
- Если Q = ½, система называется Критически демпфированная . Он не колеблется ни на какой частоте, как передемпфированный фильтр. Но он имеет скорость спада 40 дБ/декада или 12 дБ/октава с частотой среза -6 дБ усиление из-за более крутой скорости спада. это идеальный случай для фильтра 2-го порядка.
- Если Q > ½, система называется Under Damped с добротность . Такая система колеблется с частотой, близкой к частоте среза, известной как пиковая частота. Существует огромный выигрыш на пиковой частоте из-за колебаний системы.
Существует огромный выигрыш на пиковой частоте из-за колебаний системы.График частотной характеристики для каждого из вышеупомянутых условий приведен ниже.
В демпфированном состоянии с f c = 106 Гц, A = 2,98 = 9,48 дБ, Q = 50.
Значение компонентов, Резистор R 1 = R 2 = 10 кОм, конденсатор C 1 = C 2 = 150 нФ. R a = 10 кОм, R b = 19,8 кОм
Ответ показывает, что система колеблется на частоте, близкой к частоте среза, с огромным усилением.
Состояние критического демпфирования с f c = 106 Гц, A = 1 = 0 дБ, Q = 1/2.
Значение компонентов, Резистор R 1 = R 2 = 10 кОм, конденсатор С 1 = С 2 = 150 нФ.
