Elektronický filtr - Electronic filter

Rozdělovač televizního signálu skládající se z horního filtru (vlevo) a dolního filtru (vpravo). Anténa je připojena ke šroubovým svorkám vlevo od středu.

Elektronické filtry jsou typem filtru pro zpracování signálu ve formě elektrických obvodů. Tento článek se týká filtrů sestávajících z koncentrovaných elektronických součástek, na rozdíl od filtrů s distribuovanými prvky . To znamená pomocí komponent a propojení, které lze při analýze považovat za existující v jednom bodě. Tyto komponenty mohou být v samostatných balíčcích nebo součástí integrovaného obvodu .

Elektronické filtry odstraňují nežádoucí frekvenční složky z aplikovaného signálu, vylepšují požadované nebo obojí. Oni mohou být:

pasivní nebo aktivní
analogové nebo digitální
high-pass , low-pass , band-pass , band-stop (band-rejection; notch) nebo all-pass .
diskrétní čas (vzorkovaný) nebo kontinuální čas
lineární nebo nelineární
nekonečná impulzní odezva (typ IIR) nebo konečná impulzní odezva (typ FIR)

Nejběžnějšími typy elektronických filtrů jsou lineární filtry bez ohledu na další aspekty jejich konstrukce. Podrobnosti o jejich konstrukci a analýze najdete v článku o lineárních filtrech.

Dějiny

Nejstaršími formami elektronických filtrů jsou pasivní analogové lineární filtry konstruované pouze s použitím rezistorů a kondenzátorů nebo rezistorů a induktorů . Jedná se o jednopólové filtry RC a RL . Tyto jednoduché filtry však mají velmi omezené použití. Vícepólové LC filtry poskytují větší kontrolu nad formou odezvy, šířkou pásma a přechodovými pásmy . Prvním z těchto filtrů byl konstantní filtr k , který vynalezl George Campbell v roce 1910. Campbellovým filtrem byla žebříková síť založená na teorii přenosových vedení . Spolu s vylepšenými filtry Otta Zobela a dalších jsou tyto filtry známé jako filtry parametrů obrazu . Zásadním krokem vpřed byl Wilhelm Cauer, který v době druhé světové války založil oblast síťové syntézy . Cauerova teorie dovolila konstruovat filtry, které přesně následovaly určitou předepsanou frekvenční funkci.

Klasifikace podle technologie

Pasivní filtry

Pasivní implementace lineárních filtrů jsou založeny na kombinacích odporů (R), induktorů (L) a kondenzátorů (C). Tyto typy jsou souhrnně označovány jako pasivní filtry , protože nezávisí na externím zdroji napájení a neobsahují aktivní součásti, jako jsou tranzistory .

Induktory blokují vysokofrekvenční signály a vedou nízkofrekvenční signály, zatímco kondenzátory opačně. Filtr, ve kterém signál prochází induktorem , nebo ve kterém kondenzátor poskytuje cestu k zemi, představuje menší útlum pro nízkofrekvenční signály než vysokofrekvenční signály, a proto je filtrem s nízkým průchodem . Pokud signál prochází kondenzátorem nebo má cestu k zemi přes induktor, pak filtr poskytuje menší útlum vysokofrekvenčním signálům než nízkofrekvenční signály, a proto se jedná o vysokoprůchodový filtr . Rezistory samy o sobě nemají žádné frekvenčně selektivní vlastnosti, ale přidávají se k induktorům a kondenzátorům k určení časových konstant obvodu, a tedy i frekvencí, na které reaguje.

Induktory a kondenzátory jsou reaktivními prvky filtru. Počet prvků určuje pořadí filtru. V tomto kontextu je LC laděný obvod používaný ve filtru pásmového propusti nebo pásmového zastavení považován za jeden prvek, i když se skládá ze dvou komponent.

Při vysokých frekvencích (nad přibližně 100 megahertzů ) se někdy induktory skládají z jednoduchých smyček nebo pásů z plechu a kondenzátory se skládají ze sousedních pásů z kovu. Tyto indukční nebo kapacitní kusy kovu se nazývají pahýly .

Jednotlivé typy prvků

Nízkoprůchodový elektronický filtr realizovaný RC obvodem

Nejjednodušší pasivní filtry, RC a RL filtry, obsahují pouze jeden reaktivní prvek, s výjimkou hybridního LC filtru, který se vyznačuje indukčností a kapacitou integrovanou v jednom prvku.

L filtr

Filtr L se skládá ze dvou reaktivních prvků, jednoho v sérii a jednoho paralelně.

Filtry T a π

Nízkoprůchodový π filtr

High-pass T filtr

Tříprvkové filtry mohou mít topologii „T“ nebo „π“ a v obou geometriích je možná charakteristika dolní propust , horní propust , pásmová propust nebo pásmová zádrž . Složky lze zvolit symetrické nebo ne, v závislosti na požadovaných frekvenčních charakteristikách. High-pass T filtr na obrázku má velmi nízkou impedanci při vysokých frekvencích a velmi vysokou impedanci při nízkých frekvencích. To znamená, že jej lze vložit do přenosového vedení, což má za následek průchod vysokých frekvencí a odražení nízkých frekvencí. Podobně pro ilustrovaný nízkoprůchodový π filtr může být obvod připojen k přenosové lince, přenášející nízké frekvence a odrážející vysoké frekvence. Při použití filtračních sekcí odvozených od m se správnými zakončovacími impedancemi může být vstupní impedance v propustném pásmu přiměřeně konstantní.

Víceprvkové typy

Víceprvkové filtry jsou obvykle konstruovány jako žebříková síť . Ty lze považovat za pokračování L, T a π návrhů filtrů. Je zapotřebí více prvků, pokud je žádoucí zlepšit některé parametry filtru, jako je odmítnutí zastavovacího pásma nebo sklon přechodu z propustného pásma do zastavovacího pásma.

Aktivní filtry

Aktivní filtry jsou implementovány pomocí kombinace pasivních a aktivních (zesilovacích) komponent a vyžadují vnější zdroj energie. Operační zesilovače se často používají v konstrukcích aktivních filtrů. Mohou mít vysoký Q faktor a mohou dosáhnout rezonance bez použití induktorů. Jejich horní mez frekvence je však omezena šířkou pásma zesilovačů.

Další filtrační technologie

Existuje mnoho filtračních technologií kromě elektroniky se soustředěnými součástmi. Patří mezi ně digitální filtry , krystalové filtry , mechanické filtry , filtry povrchových akustických vln (SAW), filtry na bázi tenkých vrstev sypkého akustického rezonátoru (TFBAR, FBAR), granátové filtry a atomové filtry (používané v atomových hodinách ).

Funkce přenosu

viz také Filtr (zpracování signálu) pro další analýzu

Přenosová funkce filtru je poměr výstupního signálu k tomu vstupního signálu jako funkce frekvence v komplexu : ${\ displaystyle H (s)}$ ${\ displaystyle Y (y)}$ ${\ displaystyle X (s)}$ ${\ displaystyle s}$

{\ displaystyle H (s) = {\ frac {Y (s)} {X (s)}}}

.

Přenosová funkce všech lineárních časově invariantní filtry, kdy konstruována z koncentrovaný složek (na rozdíl od distribuované komponenty, jako přenosové linky), bude poměr dvou polynomů v , tedy racionální funkce z . Pořadí funkce přenosu bude nejvyšší síla, se kterou se setkal v čitateli nebo jmenovateli. ${\ displaystyle s}$ ${\ displaystyle \ s}$ ${\ displaystyle \ s}$

Klasifikace podle topologie

Elektronické filtry lze klasifikovat podle technologie použité k jejich implementaci. Filtry využívající technologii pasivních filtrů a aktivních filtrů lze dále klasifikovat podle konkrétní topologie elektronických filtrů použitých k jejich implementaci.

Jakákoli daná funkce přenosu filtru může být implementována do jakékoli topologie elektronického filtru .

Některé běžné topologie obvodů jsou:

Cauerova topologie - pasivní
Sallen – klíčová topologie - aktivní
Topologie vícenásobné zpětné vazby - aktivní
Stavová proměnná topologie - aktivní
Bikvadratická topologie - aktivní

Klasifikace podle metodiky návrhu

Historicky se design lineárního analogového filtru vyvinul třemi hlavními přístupy. Nejstarší konstrukce jsou jednoduché obvody, kde hlavním kritériem návrhu byl faktor Q obvodu. To odráželo použití filtrování rádiového přijímače, protože Q bylo měřítkem frekvenční selektivity ladicího obvodu. Od dvacátých let 20. století se filtry začaly navrhovat z obrazového hlediska, většinou na základě požadavků telekomunikací. Po druhé světové válce byla dominantní metodikou síťová syntéza . Vyšší použitá matematika původně vyžadovala zveřejnění rozsáhlých tabulek hodnot polynomiálních koeficientů, ale moderní počítačové zdroje to učinily zbytečnými.

Přímá analýza obvodu

Filtry nízkého řádu lze navrhnout přímým použitím základních obvodových zákonů, jako jsou Kirchhoffovy zákony, pro získání přenosové funkce. Tento druh analýzy se obvykle provádí pouze pro jednoduché filtry 1. nebo 2. řádu.

Frekvenční odezva filtru RL

Analýza impedance obrazu

Tento přístup analyzuje části filtru z pohledu filtru v nekonečném řetězci identických částí. Má výhody jednoduchosti přístupu a možnosti snadného rozšíření na vyšší objednávky. Má tu nevýhodu, že přesnost předpovězených odpovědí závisí na zakončení filtru v impedanci obrazu, což obvykle není tento případ.

Konstantní odezva k filtru s 5 prvky

Filtr sítě Zobel (konstantní R), 5 sekcí

Odezva filtru odvozená od m, m = 0,5, 2 prvky

Odezva filtru odvozená od m, m = 0,5, 5 prvků

Syntéza sítě

Přístup síťové syntézy začíná požadovanou přenosovou funkcí a poté ji vyjadřuje jako polynomiální rovnici vstupní impedance filtru. Skutečné hodnoty prvků filtru jsou získány pokračováním nebo částečným rozšířením tohoto polynomu. Na rozdíl od obrazové metody není na koncovkách potřeba sítí s impedančním přizpůsobením, protože účinky zakončovacích odporů jsou zahrnuty v analýze od začátku.

Zde je obrázek porovnávající filtry Butterworth, Chebyshev a eliptické filtry. Filtry na tomto obrázku jsou všechny dolní propusti pátého řádu. Konkrétní implementace - analogová nebo digitální, pasivní nebo aktivní - nezáleží na tom; jejich výstup by byl stejný.

Jak je zřejmé z obrázku, eliptické filtry jsou ostřejší než všechny ostatní, ale ukazují vlnky na celé šířce pásma.

Viz také

Poznámky a odkazy

Zverev, Anatol, I (1969). Příručka syntézy filtrů . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-98680-1.CS1 maint: více jmen: seznam autorů ( odkaz )Katalog typů pasivních filtrů a hodnot komponent. Bible pro praktický design elektronických filtrů.
Williams, Arthur B; Taylor, Fred J (1995). Příručka k návrhu elektronického filtru . McGraw-Hill. ISBN 0-07-070441-4.

externí odkazy

Aplikační poznámka National Semiconductor AN-779 (TI SNOA224a) popisující teorii analogových filtrů
Základy elektrotechniky a elektroniky - podrobné vysvětlení všech typů filtrů
BAW filtry (ve francouzštině; PDF)
Některé zajímavé konfigurace a transformace filtrů
Analogové filtry pro převod dat

Languages

In other projects