Пасивний фільтр нч схема. Фільтри на мікросхемах оу. Г-образні частотні фільтри на конденсаторі і дроселі

Електричним фільтром називається пристрій для передачі електричних сигналів, Пропускає струми в певній галузі частот і перешкоджає їх проходженню поза цією областю. У радіотехніці і електроніці електричні фільтри підрозділяють на пасивні і активні. Схеми пасивних фільтрів містять тільки пасивні елементи: резистори, конденсатори і котушки індуктивності.

У схеми активних фільтрів крім зазначених елементів входять такі активні вироби, як транзистори або інтегральні мікросхеми. Фільтруючі властивості пристрою визначаються його амплітудно-частотної характеристикою, якій називається залежність коефіцієнта посилення цього пристрою від частоти сигналу. В деякій області частот, яка називається смугою пропускання або смугою прозорості, електричні коливання передаються фільтром з входу на вихід практично без ослаблення. Поза смуги прозорості розташована смуга загасання або затримування, в межах якої частотні складові сигналу послаблюються. Між смугою прозорості і смугою затримування знаходиться частота, звана граничної. У зв'язку з тим що існує плавний перехід між смугою прозорості і смугою загасання, граничної зазвичай вважається частота, на якій ослаблення сигналу виявляється рівним -3 дБ - тобто по напрузі в √2 разів менше, ніж в смузі прозорості.

Завжди цікаво отримати крутий перехід амплітудно-частотної характеристики між смугою прозорості і смугою загасання. У пасивних фільтрах збільшення крутизни такого переходу домагаються ускладненням схеми і застосуванням багатоланкових систем. Складні фільтри вимагають громіздких розрахунків і точної настройки. Активні фільтри завдяки використанню зворотного зв'язку виявляються значно простіше і дешевше.

Прийнято поділяти фільтри на чотири категорії в залежності від розташування смуги прозорості:
. фільтри нижніх частот (0 ≤ f ≤ f 0);
. фільтри верхніх частот (F ≥ f 0);
. смугові фільтри (f 01 ≤ f ≤ f 02);
. заграждающие або режекторние фільтри (0 ≤ f ≤ f 01 і f ≥ f 02).

Тут f - частота сигналів, що проходять через фільтр; f 0 -гранічная частота; f 01 - нижня гранична частота; f 02 - верхня гранична частота. Таким чином, фільтр нижніх частот nponycкает складові сигналу, частота яких менше граничної частоти; фільтр верхніх частот пропускає складові сигналу, частота яких більше граничної частоти; смуговий фільтр пропускає складові сигналу, частота яких знаходиться між нижньою граничною частотою f 01 і верхньою граничною частотою f 02; нарешті режекторний фільтр послаблює сигнали, частота яких знаходиться між нижньою граничною f 01 і верхньою граничною f 02 частотами. Існують і більш складні фільтри спеціального призначення, наприклад гребінчастий фільтр, який застосовується в кольоровому телебаченні, що пропускає багато вузьких смуг і послабляє проміжки між ними.

Електричні фільтри знаходять широке застосування в електротехніці, радіотехніці і електроніці. Так на виході випрямлячів використовується фільтр нижніх частот, що пропускає тільки постійну складову випрямленої струму і послабляє проходження пульсацій. У радіоприймачах широко використовуються смугові фільтри, які дозволяють виділити з прийнятих антеною сигналів безлічі радіостанцій тільки один, смуга частот якого виявляється в смузі прозорості фільтра.

Прийнято ще одну поділку всіх фільтрів на дві категорії: фільтри, схема яких містить котушки індуктивності, і фільтри без индуктивностей, RC-фільтри або резисторно-конденсаторні фільтри.

Активні резисторно-конденсаторні фільтри мають величезну перевагу перед їх пасивними аналогами, особливо на частотах нижче 10 кГц. Пасивні фільтри для низьких частот повинні містити котушки великий індуктивності і конденсатори великої ємності. Тому вони виходять громіздкими, дорогими, а їх характеристики виявляються далеко не ідеальними.

Велика індуктивність досягається за рахунок великого числа витків котушки і застосування феромагнітного сердечника. Це позбавляє її властивостей чистої індуктивності, так як довгий провід многовитковой котушки володіє помітним опором, а феромагнітний сердечник схильний до впливу температури на його магнітні властивості. Необхідність же використання великої місткості змушує застосовувати конденсатори, що володіють поганий стабільністю, наприклад електролітичні. Активні фільтри в значній мірі позбавлені зазначених недоліків.

Схеми дифференциатора і інтегратора, побудовані із застосуванням операційних підсилювачів, являють собою найпростіші активні фільтри. При виборі елементів схеми в певній залежності від частоти дифференциатор стає фільтром верхніх частот, а інтегратор - фільтром нижніх частот. Далі будуть розглянуті приклади інших більш складних і найбільш універсальних фільтрів. Велика кількість інших можливих схем активних фільтрів разом з їх детальним математичним аналізом можна знайти в різних підручниках і посібниках.

Фільтри нижніх частот
Якщо об'єднати схему инвертирующего підсилювача зі схемою інтегратора, утворюється схема фільтра нижніх частот першого порядку, яка показана на мал. 1.

Мал. 1.

Такий фільтр являє собою інвертується підсилювач, що володіє постійним коефіцієнтом посилення в смузі прозорості від постійного струму до граничної частоти f 0. Видно, що в межах смуги прозорості, поки ємнісний опір конденсатора досить велике, коефіцієнт посилення схеми збігається з коефіцієнтом посилення инвертирующего підсилювача:

Гранична частота цього фільтра визначається елементами ланцюга зворотного зв'язку відповідно до вираження:

Амплітудно-частотна характеристика - залежність амплітуди сигналу на виході пристрою від частоти при постійній амплітуді на вході цього пристрою - представлена \u200b\u200bна рис.2.

Мал. 2

У смузі загасання вище граничної частоти f 0 посилення зменшується з інтенсивністю 20 дБ / декада (або 6 дБ / октава), що означає зменшення коефіцієнта посилення по напрузі в 10 разів при збільшенні частоти також в 10 разів або зменшення коефіцієнта посилення в два рази при кожному подвоєнні частоти.

Якщо такий крутизни нахилу амплітудно-частотної характеристики в смузі загасання недостатньо, можна використовувати фільтр нижніх частот другого порядку, схема якого показана на ріс.З.

Мал. З

Коефіцієнт посилення фільтра нижніх частот другого порядку такої ж, як у фільтра першого порядку, в зв'язку з тим що сумарний опір резисторів в ланцюзі інверсного входу, як і раніше, виражається значенням R1:

Гранична частота при виконанні умови R 1 C 1 \u003d 4R 2 C 2 також виражається колишньої формулою:

Що стосується амплітудно-частотної характеристики цього фільтра, представленої на мал. 4, То вона відрізняється підвищеною крутизною нахилу, яка становить 12 дБ / октава.

Мал. 4

Таким чином, в смузі загасання при збільшенні частоти вдвічі напруга сигналу на виході фільтра зменшується в чотири рази.

Фільтри верхніх частот
Аналогічно побудована схема фільтра верхніх частот, яка представлена \u200b\u200bна рис.5. Такий фільтр є інвертуючим підсилювачем з постійним коефіцієнтом посилення в смузі прозорості від частоти f0 і більше. У смузі прозорості коефіцієнт посилення схеми такий же, як у инвертирующего підсилювача:

рис.5. Принципова схема активного фільтра верхніх частот першого порядку

Гранична частота f 0 на рівні -3 дБ задається вхідний ланцюгом відповідно до вираження:

Крутизна нахилу амплітудно-частотної характеристики, яка представлена \u200b\u200bна рис.6, В області граничної частоти становить 6 дБ / октава.

рис.6. Амплітудно-частотна характеристика фільтра верхніх частот першого порядку

Як і в разі фільтрів нижніх частот, можна зібрати активний фільтр верхніх частот другого порядку з метою підвищеного вимкнення в смузі загасання. Принципова схема такого фільтра показана на рис.7.

рис.7. Принципова схема активного фільтра верхніх частот другого порядку

Крутизна нахилу амплітудно-частотної характеристики фільтра верхніх частот другого порядку в області граничної частоти становить 12 дБ / октава, а сама характеристика показана на рис.8.

рис.8. Амплітудно-частотна характеристика фільтра верхніх частот другого порядку

смугові фільтри
Якщо об'єднати активний фільтр нижніх частот з активним фільтром верхніх частот, то в результаті утворюється смуговий фільтр, принципова схема якого наведена на рис.9.

Мал. 9 . Принципова схема активного смугового фільтра

Цю схему іноді називають виборчим підсилювачем з ін-тегродіфференцірующей зворотним зв'язком. Подібно підсилювачів, що містить коливальні контури, смуговий фільтр також має амплітудно-частотну характеристику з вираженим максимумом на певній частоті. Називати таку частоту резонансної можна, так як резонанс можливий тільки в контурах, утворених індуктивністю і ємністю. В інших випадках частоту такого максимуму зазвичай називають частотою квазірезонанса. Для розглянутого смугового фільтра частота квазірезонанса f0 визначається елементами ланцюга зворотного зв'язку:

Амплітудно-частотна характеристика цього смугового фільтра показана на мал. 10.

рис.10. Амплітудно-частотна характеристика смугового фільтра

Максимальний коефіцієнт підсилення на частоті квазірезонанса виявляється рівним:

Відносна смуга пропускання на рівні -3 дБ:

Принципова схема ще одного смугового фільтра наведена на мал. 11.

Мал. 11. Принципова схема смугового фільтра з подвійним Т-фільтром

Тут в ланцюг негативного зворотного зв'язку включений подвійний Т-фільтр, утворений резисторами R2, R3, R5 і конденсаторами Cl, С2, СЗ.

Як відомо, якщо виконуються наступні умови:

амплітудно-частотна характеристика подвійного Т-фільтра містить квазірезонанса, частота якого дорівнює

причому на частоті квазірезонанса коефіцієнт передачі подвійного Т-фільтра дорівнює нулю. Тому активний фільтр з подвійним Т-фільтром, включеним в ланцюг негативного зворотного зв'язку, є смуговим фільтром з максимумом амплітудно-частотної характеристики на частоті квазірезонанса. Три такі характеристики представлені на мал. 12. Характеристики розрізняються різними опорами резистора R4: нижня відповідає R4 \u003d 100 кОм, середня - R4 \u003d 1 МОм, верхня - R4 \u003d ∞.

Мал. 12. Амплітудно-частотна характеристика активного фільтра з подвійним Т-фільтром в ланцюзі негативного зворотного зв'язку

режекторние фільтри
Той же самий подвійний Т-фільтр може бути включено не в ланцюг негативного зворотного зв'язку, як це зроблено при створенні смугового фільтра, а в ланцюг вхідного сигналу. При цьому утворюється активний режекторний фільтр, схема якого наведена на рис, 13.

рис.13. Принципова схема режекторного фільтра з подвійним Т-фільтром

При виконанні колишніх умов

амплітудно-частотна характеристика активного фільтра, що має у вхідному ланцюзі подвійний Т-фільтр, містить квазірезонанса, частота якого як і раніше визначається фор мулою (8). Але на частоті квазірезонанса коефіцієнт посилення цього активного фільтра дорівнює нулю. Амплітудно-частотна характеристика активного фільтра з подвійним Т-фільтром у вхідному ланцюзі показана на рис.14.

Мал. 14. Амплітудно-частотна характеристика активного фільтра з подвійним Т-фільтром у вхідному ланцюзі

складні фільтри
Кілька активних фільтрів можна з'єднувати послідовно для отримання амплітудно-частотної характеристики з підвищеною крутизною нахилу. Крім того, з'єднані послідовно секції простих фільтрів мають знижену чутливість. Це означає, що невелике відхилення величини одного з компонентів схеми (відхилення опору резистора або ємності конденсатора від норми) буде приводити до меншого впливу на остаточну характеристику фільтра, ніж в разі аналогічного складного фільтра, побудованого на одному операційному підсилювачі.

Мал. 15. Принципова схема ступеневої фільтра

на мал. 15 показаний ступінчастий фільтр, зібраний з трьох операційних підсилювачів. Популярність таких фільтрів різко зросла після появи у продажу інтегральних мікросхем, Що містять кілька операційних підсилювачів в одному корпусі. Перевагами цього фільтра є низька чутливість до відхилень величин компонентів і можливість отримання трьох виходів: верхніх частот U вих1, смугового U вих2 і нижніх частот U вихЗ.

Фільтр складається з підсумовує підсилювача DA1 і двох інтеграторів DA2, DA3, які з'єднані у вигляді замкнутої петлі. Якщо елементи схеми обрані згідно з умовою

то гранична частота виявляється рівною

Виходи верхніх і нижніх частот мають крутизну нахилу амплітудно-частотної характеристики, що дорівнює 12 дБ / октава, а смуговий вихід має трикутну характеристику з максимумом на частоті f 0 з добротністю Q, яка визначається резисторами установки посилення мікросхеми DA1.

Юрій Садиков
м Москва

У статті наведені результати робіт зі створення пристрою, що представляє собою комплект активних фільтрів для побудови високоякісних трьохполосних підсилювачів низької частоти класів HiFi і HiEnd.

В процесі попередніх досліджень сумарною АЧХ трьохсмугового підсилювача, побудованого з використанням трьох активних фільтрів другого порядку, з'ясувалося, що ця характеристика при будь-яких частотах стиків фільтрів має досить високою нерівномірністю. При цьому вона дуже критична до точності настройки фільтрів. Навіть при невеликому неузгодженість нерівномірність сумарною АЧХ може скласти 10 ... 15 дБ!

МАЙСТЕР КИТ випускає набір NM2116, з якого можна зібрати комплект фільтрів, побудований на базі двох фільтрів і віднімає суматора, який не має перерахованих вище недоліків. Розроблений пристрій малочутлива до параметрів частот зрізу окремих фільтрів і при цьому забезпечує високолінійний сумарну АЧХ.

Основними елементами сучасної високоякісної звуковідтворювальної апаратури є акустичні системи (АС).

Найпростішими і дешевими є односмугові АС, які мають в своєму складі один гучномовець. Такі акустичні системи не здатні з високою якістю працювати в широкому діапазоні частот в силу використання одного гучномовця (головка гучномовця - ГГ). При відтворенні різних частот до ГГ пред'являються різні вимоги. На низьких частотах (НЧ) динамік повинен володіти великим і жорстким дифузором, низькою резонансною частотою і мати великий хід (для прокачування великого об'єму повітря). А на високих частотах (ВЧ) навпаки - необхідний невеликий легкий але твердий дифузор з малим ходом. Всі ці характеристики поєднати в одному гучномовці практично неможливо (незважаючи на численні спроби), тому одиночний гучномовець має високу частотну нерівномірність. Крім цього в широкосмугових гучномовцях існує ефект інтермодуляції, який проявляється в модуляції високочастотних компонент звукового сигналу низькочастотними. В результаті звукова картина порушується. Традиційним вирішенням цієї проблеми є поділ відтвореного діапазону частот на піддіапазони і побудова акустичних систем на базі декількох динаміків на кожен обраний частотний поддиапазон.

Пасивні і активні розділові електричні фільтри

Для зниження рівня інтермодуляционних спотворень перед гучномовцями встановлюються електричні розділові фільтри. Ці фільтри також виконують функцію розподілу енергії звукового сигналу між ГГ. Їх розраховують на певну частоту поділу, за межами якої фільтр забезпечує обрану величину загасання, що виражається в децибелах на октаву. Крутизна загасання розділового фільтра залежить від схеми його побудови. Фільтр першого порядку обеспечівазатуханіе 6 дБ / окт, другого порядку - 12 дБ / окт, а третього порядку - 18 дБ / окт. Найчастіше в АС використовуються фільтри другого порядку. Фільтри більш високих порядків застосовуються в АС рідко через складну реалізації точних значень елементів і відсутності потреби мати більш високі значення крутизни затухання.

Частота поділу фільтрів залежить від параметрів застосовуваних ГГ і від властивостей слуху. найкращий вибір частоти поділу - при якому кожен ГГ АС працює в межах області поршневого дії дифузора. Однак при цьому АС повинна мати багато частот поділу (відповідно ГГ), що значно збільшує її вартість. Технічно обгрунтоване, що для якісного звуковідтворення досить застосовувати трисмуговий поділ частот. Однак на практиці існують 4-х, 5-й і навіть 6-й смугові акустичні системи. Першу (низьку) частоту поділу вибирають в діапазоні 200 ... 400 Гц, а другу (середню) частоту поділу в діапазоні 2500 ... 4000 Гц.

Традиційно фільтри виготовляються з застосуванням пасивних L, C, R елементів, і встановлюються безпосередньо на виході кінцевого підсилювача потужності (УМ) в корпусі АС, згідно рис.1.

Рис.1. Традиційне виконання АС.

Однак у подібного виконання існує ряд недоліків. По-перше, для забезпечення необхідних частот зрізу доводиться працювати з досить великими індуктивностями, оскільки необхідно виконати одночасно дві умови - забезпечити необхідну частоту зрізу і забезпечити узгодження фільтра з ГГ (іншими словами не можна зменшити індуктивність за рахунок збільшення ємності, що входить до складу фільтра). Намотування котушок індуктивності бажано проводити на каркасах без застосування феромагнетиків через істотну нелінійність їх кривої намагніченості. Відповідно, повітряні котушки індуктивності виходять досить громіздкими. Крім усього існує похибка намотування, яка не дозволяє забезпечити точно розраховану частоту зрізу.

Провід, яким ведеться намотування котушок, має кінцевий провідникові, що в свою чергу, призводить до зменшення ККД системи в цілому і перетворенням частини корисної потужності УМ в тепло. Особливо помітно це проявляється в автомобільних підсилювачах, де напругу живлення обмежена 12 В. Тому для побудови автомобільних стереосистем часто застосовують ГГ зниженого опору обмотки (~ 2 ... 4 Ом). У такій системі введення додаткового опору фільтра близько 0,5 Ом може привести до зменшення вихідної потужності на 30% ... 40%.

при проектуванні високоякісного підсилювача потужності намагаються звести до мінімуму його вихідний опір для збільшення ступеня демпфірування ГГ. Застосування пасивних фільтрів помітно знижує ступінь демпфірування ГГ, оскільки послідовно з виходом підсилювача підключається додаткове реактивний опір фільтра. Для слухача це проявляється в появі "бубонить" басів.

Ефективним вирішенням цієї проблеми є використання не пасивних, а активних електронних фільтрів, в яких всі перераховані недоліки відсутні. На відміну від пасивних фільтрів, активні фільтри встановлюється до УМ як показано на рис.2.

Рис.2. Побудова звуковідтворювального тракту з використанням активних фільтрів.

Активні фільтри являють собою RC фільтри на операційних підсилювачах (ОУ). Нескладно побудувати активні фільтри звукових частот будь-якого порядку і з будь-якою частотою зрізу. Розрахунок подібних фільтрів проводиться з табличних коефіцієнтів з заздалегідь обраного типу фільтра, необхідним порядком і частотою зрізу.

Використання сучасних електронних компонентів дозволяє виготовляти фільтри, що володіють мінімальними значеннями рівнів власних шумів, малим енергоспоживанням, габаритами і простотою виконання / повторення. В результаті, використання активних фільтрів призводить до збільшення ступеня демпфірування ГГ, знижує втрати потужності, зменшує спотворення і збільшує ККД звуковідтворювального тракту в цілому.

До недоліків такої архітектури відноситься необхідність використання декількох підсилювачів потужності і декількох пар проводів для підключення акустичних систем. Однак в даний час це не є критичним. Рівень сучасних технологій значно знизив ціну і розміри УМ. Крім того, з'явилося досить багато потужних підсилювачів в інтегральному виконанні з відмінними характеристиками, навіть для професійного застосування. На сьогоднішній день існує ряд ІМС з декількома УМ в одному корпусі (фірма Panasonic випускає ІМС RCN311W64A-P з 6-ю підсилювачами потужності спеціально для побудови трьохполосних стереосистем). Крім того УМ можна розташувати всередині АС і використовувати короткі проводи великого перерізу для підключення динаміків, а вхідний сигнал подати по тонкому екранованому кабелю. Однак, якщо навіть не вдається встановити УМ всередині АС, застосовувати багатодротові сполучних кабелів не є складною проблемою.

Моделювання та вибір оптимальної структури активних фільтрів

При побудові блоку активних фільтрів було вирішено використовувати структуру що складається з фільтра високої частоти (ФВЧ), фільтра середньої частоти (смуговий фільтр, ФСЧ) і фільтра низької частоти (ФНЧ).

Це схемотехнічне рішення було практично реалізовано. Був побудований блок активних фільтрів НЧ, ВЧ і ПФ. В якості моделі трехполосной АС був обраний трьохканальний суматор, що забезпечує підсумовування частотних компонент, згідно рис.3.

Рис.3. Модель трехканальной АС з набором активних фільтрів і ФСЧ на ПФ.

При знятті АЧХ такої системи, при оптимально підібраних частотах зрізу, очікувалося отримати лінійну залежність. Але результати виявилися далекі від передбачуваних. У точках сполучення характеристик фільтрів спостерігалися провали / викиди в залежності від співвідношення частот зрізу сусідніх фільтрів. В результаті підбором значень частот зрізу не вдалося привести прохідну АЧХ системи до лінійного вигляду. Нелінійність прохідної характеристики свідчить про наявність частотних спотворень в відтворюваному музичному оформленні. Результати експерименту представлені на рис.4, рис.5 і рис.6. Рис.4 ілюструє поєднання ФНЧ і ФВЧ за стандартним рівнем 0.707. Як видно з малюнка в точці сполучення результуюча АЧХ (показана червоним кольором) має суттєвий провал. При раздвижении характеристик глибина і ширина провалу збільшується, відповідно. Рис.5 ілюструє поєднання ФНЧ і ФВЧ за рівнем 0.93 (зрушення частотних характеристик фільтрів). Ця залежність ілюструє мінімально досяжну нерівномірність прохідний АЧХ, шляхом підбору частот зрізу фільтрів. Як видно з малюнка, залежність явно не лінійна. При цьому частоти зрізу фільтрів можна вважати оптимальними для даної системи. При подальшому зсуві частотних характеристик фільтрів (сполучення по рівню 0.97) спостерігається поява викиду в прохідній АЧХ в точці стику характеристик фільтрів. Подібна ситуація показана на рис.6.

Рис.4. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) і прохідна АЧХ (червоний), узгодження за рівнем 0.707.

Рис.5. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) і прохідна АЧХ (червоний), узгодження по рівню 0.93.

Рис.6. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) і прохідна АЧХ (червоний), узгодження по рівню 0.97 і поява викиду.

Основною причиною нелінійності прохідний АЧХ є наявність фазових спотворень на кордонах частот зрізу фільтрів.

вирішити подібну проблему дозволяє побудова среднечастотного фільтра не у вигляді смугового фільтра, а з використанням віднімає суматора на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формується відповідно до формули: Uсч \u003d Uвх - Uнч - Uвч

Структура такої системи представлена \u200b\u200bна рис.7.

Рис.7. Модель трехканальной АС з набором активних фільтрів і ФСЧ на віднімається сумматоре.

При такому способі формування каналу середніх частот пропадає необхідність в точній настройці сусідніх частот зрізу фільтрів, тому що среднечастотний сигнал формується відніманням з повного сигналу сигналів фільтрів високих і низьких частот. Крім забезпечення взаємодоповнюючих АЧХ, у фільтрів виходять так само і комплементарні ФЧХ, що гарантує відсутність викидів і провалів в сумарною АЧХ всієї системи.

АЧХ среднечастотного ланки з частотами зрізу Fср1 \u003d 300 Гц і Fср2 \u003d 3000 Гц приведена на рис. 8. За спаду АЧХ забезпечується загасання не більше 6 дБ / окт, що, як показує практика, цілком достатньо для практичної реалізації ФСЧ і отримання якісного звучання СЧ ГГ.

Рис.8. АЧХ фільтра середніх частот.

Прохідний коефіцієнт передачі такої системи з ФНЧ, ФВЧ і ФСЧ на віднімається сумматоре виходить лінійним у всьому діапазоні частот 20 Гц ... 20 кГц, згідно рис. 9. Повністю відсутні амплітудні і фазові спотворення, що забезпечує кришталеву чистоту відтвореного звукового сигналу.

Рис.9. АЧХ системи фільтрів з ФСЧ на віднімається сумматоре.

До недоліків подібного рішення можна віднести жорсткі вимоги до точності номіналів резисторів R1, R2, R3 (згідно рис.10, на якому представлена електрична схема віднімає суматора) забезпечують балансування суматора. Ці резистори повинні використовуватися з допусками на точність не більше 1%. Однак при виникненні проблем з придбанням таких резисторів буде потрібно збалансувати суматор використовуючи замість R1, R2 підлаштування резистори.

Балансування сумматора виконується за такою методикою. Спочатку на вхід системи фільтрів необхідно подати низкочастотное коливання з частотою, набагато нижче частоти зрізу ФНЧ, наприклад 100 Гц. Змінюючи значення R1 необхідно встановити мінімальний рівень сигналу на виході суматора. Потім на вхід системи фільтрів подається коливання з частотою свідомо більшої частоти зрізу ФВЧ, наприклад 15 кГц. Змінюючи значення R2 знову встановлюють мінімальний рівень сигналу на виході суматора. Налаштування закінчена.

Рис.10. Схема віднімає суматора.

Методика розрахунку активних ФНЧ і ФВЧ

Як показує теорія для фільтрації частот звукового діапазону необхідно застосовувати фільтри Баттерворта не більше другого або третього порядку, що забезпечують мінімальну нерівномірність в смузі пропускання.

Схема ФНЧ другого порядку представлена \u200b\u200bна рис. 11. Його розрахунок здійснюється за формулою:

де a1 \u003d 1.4142 і b1 \u003d 1.0 - табличні коефіцієнти, а С1 і С2 вибираються зі співвідношення C2 / C1 більше одно 4xb1 / a12, причому не слід вибирати відношення C2 / C1 багато великим правій частині нерівності.

Рис.11. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядку.

Схема ФВЧ другого порядку представлена \u200b\u200bна рис. 12. Його розрахунок проводиться за формулами:

де C \u003d C1 \u003d C2 (задаються перед розрахунком), а a1 \u003d 1.4142 і b1 \u003d 1.0 - ті ж табличні коефіцієнти.

Рис.12. Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядку.

Фахівці МАЙСТЕР КИТ розробили і досліджували характеристики такого блоку фільтрів, що володіє максимальною функціональністю і мінімальними габаритами, що є істотним при застосуванні пристрою в побуті. Використання сучасної елементної бази дозволило забезпечити максимальну якість розробці.

Технічні характеристики блоку фільтрів

Принципова електрична схема активного фільтра показана на рис.13. Перелік елементів фільтра наведено в таблиці.

Фільтр виконаний на чотирьох операційних підсилювачах. ОУ об'єднані в одному корпусі ІМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) зібраний стабілізатор напруги живлення з відповідними фільтруючими ємностями: С1, С3 по входу і С4 по виходу. На резистивном делителе R2, R3 і конденсаторі С5 виконана штучна середня точка.

На ОУ DA2.1 виконаний буферний каскад сполучення вихідного і вхідних опорів джерела сигналу і фільтрів НЧ, ВЧ і СЧ. На ОУ DA2.2 зібраний фільтр НЧ, на ОУ DA2.3 - фільтр ВЧ. ОУ DA2.4 виконує функцію формувача смугового СЧ фільтра.

На контакти X3 і X4 подається напруга живлення, на контакти X1, X2 - вхідний сигнал. З контактів X5, X9 знімається відфільтрований вихідний сигнал для тракту НЧ; з X6, X8 - ВЧ і з X7, X10 - СЧ трактів відповідно.

Рис.13. Схема електрична принципова активного трьохсмугового фільтр

Перелік елементів активного трьохсмугового фільтра

позиція	Найменування	Примітка	Кол.
С1, С4	0,1 мкФ	позначення 104	2
C2, С10, C11, C12, C13, C14, C15	0,47 мкФ	позначення 474	7
С3, C5	220 мкФ / 16 В	Заміна 220 мкФ / 25 В	2
С6, C8	1000 пФ	позначення 102	2
С7	22 нФ	позначення 223	1
С9	10 нФ	позначення 103	1
DA1	78L09		1
DA1	MC3403	Заміна LM324, LM2902	1
R1 ... R3	10 кОм		3
R8 ... R12	10 кОм	Допуск не більше 1% *	5
R4 ... R6	39 кОм		3
R7	75 кОм	-	1
Колодка DIP-14			1
штирьовий роз'єм		2-х контактний	2
штирьовий роз'єм		3-х контактний	2

Зовнішній вигляд фільтра показаний на рис.14, друкована плата - на рис.15, розташування елементів - на рис.16.

Конструктивно фільтр виконаний на друкованої плати з фольгованого склотекстоліти. Конструкція передбачає установку плати в стандартний корпус BOX-Z24A, для цього передбачені монтажні отвори по краях плати діаметром 4 і 8 мм. Плата в корпусі кріпиться двома гвинтами-саморізами.

Рис.14. Зовнішній вигляд активного фільтра.

Рис.15. Друкована плата активного фільтра.

Рис.16. Розташування елементів на друкованій платі активного фільтра.

ФІЛЬТР ДЛЯ САБВУФЕРА

Кожен хоче мати у себе вдома свій особистий дуже хороший домашній кінотеатр, що при нинішніх цінах на відвідування громадського цілком виправдано, але не у кожного це виходить. Хтось задовольняється купівлею дешевих китайських 2.1 колоночек, хтось пристосовує для басів радянську акустику. А найбільш просунуті радіоаматори меломани роблять сабвуферний НЧ канал самі. Тим більше, що процедура виготовлення зовсім не складна. Стандартний сабвуфер - це активний фільтр НЧ, на який подаються сигнали правого і лівого каналів лінійного виходу, підсилювач потужності на багато-багато ват і великий дерев'яний ящик з низькочастотним динаміком.Розрахунок і виготовлення корпусу справа суто столярне, про це можна почитати і наінших ресурсах, Підсилювач потужності так-же не проблема - при багатому асортименті всіляких і. А ось на вхідномуфільтрі НЧ для підсилювача сабвуферного каналу ми тут зупинимося докладно.

Як відомо, сабвуфер Частоти до 40 Гц, і використовується спільно з невеликими сателітними гучномовцями. Сабвуфери бувають пасивні та активні. пасивний сабвуфер - це вміщена в корпус НЧ-головок, яка підключаються до загального підсилювача. При такому способі підключення широкосмуговий вихідний сигнал УМЗЧ подається на вхід сабвуфера, а його розділовий фільтр видаляє з сигналу НЧ і подає відфільтрований сигнал на гучномовці.

Набагато більш ефективний і поширений спосіб підключення сабвуфера за допомогою електронного розділового фільтру і окремого підсилювача потужності, що дозволяє відокремлювати баси від сигналу, що подається на основні гучномовці в тому місці тракту, де фільтрація сигналу вносить набагато менше нелінійних спотворень, ніж фільтрація вихідного сигналу підсилювача потужності. Крім того, додавання окремого підсилювача потужності для сабвуферного каналу істотно збільшує динамічний діапазон і звільняє підсилювач основних СЧ і ВЧ каналів від додаткового навантаження.Нижче пропоную перший, найпростіший варіант фільтра НЧ длясабвуфера. Виконаний він як фільтр суматор на одному транзисторі і на серйозне якість звучання з ним розраховувати не доводиться. Залишимо його збірку самим початківцям.

А ось ці три варіанти з однаковим успіхом зарекомендували себе в якості відміннихфільтрів длясабвуфера і деякі з них встановлені в моїх підсилювачах.

Ці фільтри встановлюються між лінійним виходом джерела сигналу і входом підсилювача потужності сабвуфера. Всі вони володіють малим рівнем шумів і енергоспоживанням, широким діапазоном живлячої напруги. Мікросхеми використовував будь-які здвоєні ОУ, наприклад TL062, TL072, TL082 або LM358. До пасивних елементів пред'являються звичайні вимоги, як до деталей високоякісних аудіотрактом. На мій слух, звучання нижньої схеми було особливо пружним і дінаміним, сабвуфер з таким варіантом слухаєш навіть не вухами, а животом :)

Технічні характеристикифільтра длясабвуфера:

• напруга живлення, В 12 ... 35В;
• струм споживання, мА 5;
• частота зрізу, Гц 100;
• посилення в смузі пропускання, дБ 6;
• згасання поза смуги пропускання, дБ / Окт 12.

Фотографії плат фільтрів сабвуфера надані товаришем Dimanslm:

Додавання активного сабвуфера істотно збільшує динамічний діапазон, понізіжает нижню граничну частоту відтворення, покращує чистоту звучання середніх частот і забезпечує високий рівень гучності без спотворень. Видалення низьких частот із спектру основного сигналу, що надходить на сателіти, дозволяє їм звучати голосніше і чистіше, так як конус НЧ-головки не вагається з великою амплітудою вносячи серйозні спотворення, намагаючись відтворити баси.

Класифікація фільтрів і їх основні характеристики

Класифікацію фільтрів можна здійснити за різними ознаками, найважливішим з яких є ознака, пов'язаний з частотною смугою пропускання. За цією ознакою розрізняють наступні види фільтрів:

§ нижніх частот (ФНЧ);

§ верхніх частот (ФВЧ);

§ смугові (ПФ);

§ режекторние або заграждающие (РФ).

Якщо фільтр пропускає гармоніки з частотою від нуля до фіксованої частоти, званої нижньої частотою зрізу f НСР (w НСР \u003d 2p f НСР), послаблюючи при цьому всі частоти вище цієї частоти, то цей фільтр відноситься до ФНЧ. Якщо ж фільтр пропускає все гармоніки з частотами, починаючи від фіксованої частоти, званої верхньої частотою зрізу f ВСР (w ВСР \u003d 2p f ВСР), і послаблює всі частоти нижче цієї частоти, то цей фільтр відноситься до ФВЧ. Фільтр, який пропускає гармоніки з частотою, починаючи від деякої фіксованої нижньої частоти зрізу f НСР до встановленої верхньої частоти зрізу f ВСР, і пригнічує гармоніки з усіма іншими частотами, то цей фільтр відноситься до ПВ. Нарешті, якщо фільтр тисне гармоніку тільки з певною фіксованою частотою f р і пропускає все гармоніки з іншими частотами, то цей фільтр відноситься до РФ. Основними характеристиками фільтрів згідно з визначенням є АЧХ і ФЧХ. Амплітудно-частотна характеристика Н(jw) \u003d ç До(jw) çопісивает зміна ставлення вихідний і вхідний амплітуд гармоніки в залежності від зміни її частоти. Фаза-частотна характеристика визначається функцією j (w), яка описує зміну вихідної фази гармонійного сигналу щодо її вхідного значення в залежності від зміни частоти. Відповідні частоти зрізу знаходяться з рівняння Н(w i) \u003d 0,707 \u003d 1 / Ö2, де w i встановлює відповідну частоту зрізу на рівні 0,707 або на рівні 3 дБ. За АЧХ, яка для наочності зазвичай представляється графіком або аналітично у вигляді формули, можна визначити крім відповідних частот зрізу і інші параметри. Значення деяких смуга пропускання D f п, смуга загасання фільтра D f з і смуга придушення D f пд.

Діапазон частот для АЧХ від нуля до f НСР або від f ВСР і вище називається смугою пропускання. Так як АЧХ не може миттєво знизитися до нуля після f НСР або навпаки підвищиться від нуля до f ВСР, то існує певний інтервал частот АЧХ, що перевищує f НСР або не перевищує f ВСР, який називається смугою загасання (загородження) або перехідним інтервалом частот. При цьому нижній рівень загасання або відповідно зростання АЧХ, що визначає перехідний ділянку, відповідає для визначеності величиною a, що дорівнює, наприклад 0,1 (рис. 1). Тоді перехідний інтервал частот визначається рішенням рівнянь Н(W пз i) \u003d A і Н(w i) \u003d 0,707, де індекс i визначає відповідну частоту зрізу на рівні a і 0,707. Всі частоти вище або відповідно нижче w пз i належать до, так званої, смузі придушення відповідного фільтра.

важливою характеристикою є крутизна S(f 1 ,f 2) АЧХ фільтра, яка визначається за кутом нахилу АЧХ (АЧХ) в смузі загородження і аналітично визначається з рівності

S(f 1 , f 2) \u003d 20 log [ Н(f 1) / Н(f 2)],

де Н(f 1) і Н(f 2) - значення АЧХ відповідно на частотах f 1 і f 2, узятих в межах її смуги затухання.

Для оцінки крутизни S(f 1 , f 2) АЧХ фільтра в децибелах на декаду необхідно виконання рівності f 2 = 10 f 1, а для її оцінки в децибелах на октаву - f 2 = 2 f 1 .

Фільтри в залежності від схемотехнического виконання діляться на пасивні і активні. Активні фільтри відрізняються від пасивних фільтрів, перш за все, наявністю активного елементу, виконаного, наприклад, у вигляді операційного підсилювача.

На рис. 1 наведені ілюстраційні графіки частотних характеристик із зазначенням їх основних параметрів і мають орієнтовний вид.

Малюнок 1.- Ілюстраційні графіки частотних характеристик ВНЧ, ВФЧ, ПФ

Оскільки частотні властивості фільтрів, в тому числі і крутизна АЧХ, визначаються їх передавальної функцією, то, в залежності від її виду, розрізняють фільтри першого, другого і вищих порядків.

Передавальна функція активного ФНЧ n-го порядку має вигляд

До(s) \u003d До 0 /(1 + a 1 s + a 2 s 2 + .... + A n s n),

де До 0 - коефіцієнт передачі на постійному струмі.

Очевидно, що порядок передавальної функції визначається відповідною схемою реального фільтра. Так, для фільтра першого порядку передатна функція при s \u003d jw і До 0 \u003d 1 описується в вигляді

До(jw) = 1/(1 + RC jw),

де Rі C номінали резистора і конденсатора, що входять в схему фільтра, а ФЧХ має вигляд j (w) \u003d - arc tg (w / w 0), оскільки w 0 \u003d t -1 при t \u003d RC.

З передавальної функції шляхом простих перетворень отримуємо АЧХ для ФНЧ першого порядку

виконуючи аналогічні дії, Отримуємо АЧХ і ФЧХ для ФВЧ 1-го порядку

j (w) \u003d p / 2 arc tg (w / w 0).

Фільтри більш високих порядків можна побудувати каскадним з'єднанням фільтрів менших порядків. Наприклад, фільтр четвертого порядку можна створити за допомогою послідовного з'єднання двох фільтрів другого порядку. При цьому передавальні функції перемножуються.

Схеми активних фільтрів другого порядку включають в себе операційний підсилювач (ОУ) хваченний негативною або позитивним зворотним зв'язком у вигляді частотно-залежних ланцюгів. Приклади подібних фільтрів наведені на рис. 2 (а, б, в).

Малюнок 2. - Схеми фільтрів 2-го порядку на операційних підсилювачах ОУ: а - ФНЧ; б - ФВЧ; в - РФ.

Як випливає з рис. 2 ( а) ФНЧ 2-го порядку побудований на основі каскадного з'єднання двох RC ланцюжків, причому, в першій RC ланцюжку конденсатор підключений до виходу ОУ і, тим самим, він утворює позитивну зворотній зв'язок для ОУ з метою збільшення коефіцієнта передачі фільтра на f НСР. Визначення номіналів резисторів і конденсаторів здійснюється по заданій частоті f НСР відповідно до формулами

Зазвичай попередньо задаються номіналами резисторів R 1 і R 2. Далі за наведеними формулами обчислюють номінали конденсаторів, підбираю з довідника найближчі до них номінали і при необхідності корегують попередньо вибрані номінали резисторів, щоб забезпечити потрібну частоту f НСР. Таким чином, розрахунки виконуються послідовної коригуванням номіналів резисторів і конденсаторів, з метою забезпечення необхідного значення частоти f НСР і відповідність номіналів резисторів і конденсаторів серійно випускається ряду.

Якщо в схемі а) Поміняти місцями резистори і конденсатори, то в результаті отримаємо ФВЧ, схема якого наведена на рис. 2 ( б).

Якщо послідовно з'єднати ФНЧ і ФВЧ з відповідними АЧХ, то в результаті отримують ПФ.

На рис. Мал. 2 ( в) Представлена \u200b\u200bсхема РФ, зібраного на основі Т-моста, утвореного резисторами і конденсаторами, як це зазначено на схемі. При цьому вихід повторювача виконаного на ОУ має зворотний зв'язок, підключену згідно малюнка в точку, розташовану між конденсатором З 1 і резистором R 2. Завдяки такому включенню, добротність Т-моста істотно збільшується, що призводить до звуження смугу частот в околиці частоти придушення РФ f 0 \u003d 1 / (2 p R 1 C 2).

Фільтри призначені для виборчого виділення корисного сигналу з суміші шумів, перешкод і самого сигналу. Фільтри характеризуються смугою пропускання, резонансною частотою, ефективністю виділення / ослабле- ня корисного / сигналу, що заважає.

Фільтри є одними з найпоширеніших і значущих вузлів радіоелектронної апаратури. Вони дозволяють:

♦ виділити необхідну користувачу інформацію з багатого на перешкоди сигналу;

♦ поліпшити співвідношення сигнал / шум;

♦ підвищити якість сигналу.

За призначенням відомі фільтри:

♦ високих (верхніх) частот;

♦ низьких (нижніх) частот;

♦ смугові;

♦ вузькосмугові;

♦ широкосмугові;

♦ режекторние (заграждающие) та ін.

ОУ.

На рис. 38.1 наведена типова низьких частот і йому відповідна АЧХ.

Розглянемо основні типи фільтрів, виконаних з застосуванням

Як відомо, коефіцієнт передачі ОУ, включеного за схемою, рис. 38.2, визначається як 1 + R3 / R4. Для реалізації типового фільтра нижніх частот необхідно виконання умов:

Мал. 38.2. Приклад практичної реалізації низьких частот

С1 \u003d С2 \u003d С, R1 \u003d R2, тоді

частоту зрізу фільтра можна визначити з наближеного співвідношення: ДГц] \u003d 10 / С [мкФ], рис. 38.3. Аналогічний висновок можна отримати для розрахунку фільтра високих частот.

Поєднавши послідовно фільтр нижніх і верхніх частот, можна отримати, якого представлена \u200b\u200bна рис. 38.9.

Мал. 38.7. Приклад практичної реалізації високих частот

Примітка.

Відхилення номіналів прецизійних елементів фільтрів від рекомендованих (розрахункових) у допустимих межах ± 7%. Відзначимо, що для побудови фільтра можна використовувати 'прецизійні елементи (, резистори) рівного номіналу, включені для отримання значень R / 2 і 2С паралельно.

♦ вихідного підсилювача (DA 1.2);

Частоти зрізу, від ... до

Напруга живлення

Таблиця 38.1 (продовження)

Частоти зрізу, від ... до

Напруга живлення

Смугові лінійні фільтри 2-го (* 4-го; ** 8-го) порядку

з програм ювання: корпус DIP, WideSO; 2 (** 4) елемента в корпусі Таблиця 38.2

Частоти зрізу, від ... до

Напруга живлення

Фільтри НЧ 5-го порядку на перемикаються конденсаторах:

корпус DIP, SO; 1 елемент в корпусі Таблиця 38.3

Частоти зрізу, від ... до

Напруга живлення

Частоти зрізу, від ... до

напруга

Примітка.

Поріг спрацьовування компаратора DA1 встановлюють потенціометром R4. Максимальна чутливість включення компаратора становить 10 мВ. Світлодіод HL1 відображає наявність надпорогового сигналу. Потенціометром R7 встановлюють верхню межу реакції мікросхеми управління LED-шкалою DA2 на величину керуючого напруги - від 1 до 6 В; потенціометром R10 - нижня межа - від Про до 5 В; VD4 захищає керуючі входи мікросхеми DA2 від перенапруг, одночасно стабілізуючи керуючі напруги.

VD5, VD6 автоматично забезпечує мінімальну різницю між верхнім і нижнім рівнями керуючих напруг на висновках 3 і 16 мікросхеми DA2 в 1 В. Діод VD3 захищає ланцюг управління LED-шкалою від перенапруги. Резистори R11-R22 призначені для узгодження рівня сигналів, що знімаються з виходів мікросхеми DA2, з рівнями КМОП-логіки.

Якщо на вхід пристрою поступає надпороговий аналоговий (або цифровий) сигнал, то зі збільшенням його частоти відбудеться плавне почергове або одночасно-групове перемикання каналів індикації (HL2-HL13). Одночасно керуючі сигнали з виходів мікросхеми DA2 через КМОП-інвертори DD1, DD2 надійдуть на керуючі входи аналогових КМОП-ключів (мікросхеми DA3- DA5).

Смуга пропускання кожного з каналів при установці на керуючих входах 3 і 16 мікросхеми DA2 максимального і мінімального рівнів 6 і О Г, відповідно, складуть для перших шести каналів 400 Гц у для інших - 760 Гц. Таким чином, перший канал пропустить сигнали частотою нижче 400 Гц, другий - в смузі 400-800 Гц, ... останній, 12-й канал пропускає частоти понад 6 кГц.

Примітка.

Регулюванням потенціометрів R7 і R10 можна плавно змінювати ширину і кордони частотних каналів.

HL2-HL13 динамічно индицируют номер задіяного каналу керування.

Пристрій споживає 60л * А при напрузі живлення 15 Б і одному све гящемся светодиоде.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. - СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.