Активные фильтры

В электронике широкое применение находят устройства частот­ной селекции сигналов, пропускающие сигналы в заданной полосе частот. В некоторых случаях используются устройства, не про­пускающие сигналы в заданной полосе частот, получившие название режекторных. Здесь рассматриваются вопросы практической реализации активных фильтров на перспективной элементной базе — интегральных микросхемах. Интегральные схемы, специ­ально разработанные для построения устройств частотной селекции фильтров, имеют в обозначении буквы СС.

Перспективными базовыми узлами для построения фильтров являются операционные усилители. Фильтры, сочетающие исполь­зование jRC-цепей и усилительных приборов, получили название активных. Обобщенная макромодель фильтра имеет вид в соответствии с рисунком 2.27. Вид АЧХ определяет частотно-селективная цепь, масштаб характеристики (коэффициент передачи в заданной полосе частот) обеспечивает усилитель с ООС. В некоторых фильтрах удается совместить частотно-селективную цепь с цепью ООС. Другими словами, использовать для реализации фильтра частотно-зависимую ООС.

Рисунок 2.27- Обобщенная модель активного фильтра

Возможности реализации фильтров на интегральных схемах удобно иллюстрировать на примерах использования ОУ. Данные о базовых функциональных узлах фильтров на основе ОУ и вид их АЧХ сведены в таблице 2.2.

В рассматриваемых фильтрах используются такие достоинства ОУ, как высокое входное и низкое выходное сопротивления. Это представляет разработчику широкие возможности в выборе элементов, определяющих вид АЧХ, например в активных RC-фильтрах использовать дешевые высокоомные резисторы, дешевые и высокостабильные конденсаторы малой емкости.

Другими достоинствами ОУ, используемыми в фильтрах, являются два входа и возможность использования ООС и ПОС. Как видно из таблицы 2.2, ООС используется во всех базовых функциональных узлах фильтра. Она обеспечивает стабильность режима работы ОУ и очень низкое выходное сопротивление каждого фильтра. Положительная обратная связь используется для повышения добротности фильтра. Так, в узкополосном LC-фильтре использование ПОС эквивалентно внесению в контур отрицательного сопротивления потерь. Таким образом, появля­ется возможность увеличения добротности контура выше значе­ний, определяемых конструктивными особенностями контура. Глубина ПОС регулируется потенциометром R₃ и ограничивается резистором R₂, чтобы не произошло самовозбуждения устройства.

Таблица 2.2.

Тип фильтра	Схема базового узла	Вид АЧХ
Фильтр нижних частот
Фильтр верхних частот
Узкополосный LC-фильтр
Узкополосный R -фильтр
Режектроный фильтр

Активные фильтры нижних и верхних частот используют по два RС-звена, и поэтому относятся к фильтрам второго порядка. Рабочая полоса ограничивается частотой среза, на которой коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ. Для повышения затухания вне рабочей полосы частот используют последователь­ное соединение однотипных базовых узлов. Для построения полосовых фильтров используют последовательное соединение разнотипных базовых узлов.

Узкополосный LC-фильтр представляет, по сути, разновид­ность инвертирующего масштабного усилителя с частотно-зависи­мой ООС. При отсутствии ПОС (R₃ = 0) на частоте резонанса контур представляет собой высокоомное активное сопротивление и коэффициент передачи фильтра может быть рассчитан по формуле:

.

При введении ПОС увеличивается значение К_и0 и сужается полоса пропускания фильтра: 2Df=К_и0/Q.

Избежать применения индуктивности в узкополосном фильтре (что особенно желательно в низкочастотных устройствах) позволяет использование двойного Т-образного моста. При точном подборе одноименных элементов моста в соотношениях, указанных на схеме узла с RC-фильтром в табллице 2.2, ослабление, обеспечиваемое мостом на частоте квазирезонатора f_c=1/(2pRC), стремится к бесконечности, а фазовый сдвиг выходного напряже­ния по отношению ко входному стремится к нулю. Следова­тельно, по основным свойствам двойной Т-образный мост напоминает параллельный колебательный контур. Добротность такой частотно-селективной цепи можно уменьшить, подключив к ней резистор R. Выбором сопротивле­ния ri можно добиться требуемой полосы пропускания фильтра. Указанные свойства двойного Т-образного моста используются в режекторном фильтре (см. таблицу 2.2). На частоте режекции мост представляет собой очень большое сопротивление, и, следова­тельно, фильтр эффективно ослабляет эту частоту. Операционный усилитель выполняет здесь функцию высококачественного буфер­ного усилителя, способствующего получению высокой добротости фильтра. В фильтре используется 100% ООС по напряже­нию. Поэтому максимальный коэффициент передачи вне полосы режекции не превышает единицы. Глубокая ООС обеспечивает высокую стабильность режима работы фильтра.