Когда схемное решение требует использования фильтра нижних частот с крутым срезом, инженер может выбрать конструкцию, называемую иногда «кирпичная стена», которая отличается резким спадом за пределами полосы пропускания. Например, в системе стереофонического FM-вещания фильтры нижних частот в левом и правом каналах в полосе модулирующих частот аудио должны иметь частоту среза по уровню –3 дБ не менее 15 кГц, неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания менее 0.3 дБ, начальную частоту полосы подавления не менее 19 кГц, затухание в полосе подавления более 50 дБ и идентичные фазовые характеристики.
Фильтр должен обеспечивать регулируемое усиление, чтобы максимально увеличить отношение сигнал/шум в первом каскаде аудиопроцессора. Частотная характеристика фильтра также должна включать режекцию на частоте 19 кГц, чтобы добиться максимального ослабления на частоте пилот-сигнала FM поднесущей и, таким образом, минимизировать проблемы с согласованием фаз. Для снижения производственных затрат фильтр не должен требовать никаких регулировок в процессе производства. Обычные конструкции аналоговых активных фильтров не позволяют достичь этих целей при разумной стоимости и сложности без трудоемкой настройки. В этой статье описывается подход к синтезу активных фильтров, который снижает чувствительность фильтра к допускам пассивных компонентов и позволяет создавать недорогие фильтры высокого порядка с высокой избирательностью.
 |
|
| Рисунок 1. | Этот прототип пассивного эллиптического фильтра нижних частот седьмого порядка имеет частоту среза 15 кГц и затухание в полосе подавления более 50 дБ. |
Процесс проектирования начинается с выбора подходящей топологии пассивного фильтра – в данном примере эллиптического фильтра седьмого порядка с входным и выходным импедансом 50 Ом (Рисунок 1). Установка начала полосы подавления на частоте 18.72 кГц приводит к режекции на частоте пилот-сигнала FM радиовещания 19 кГц. При использовании следующей формулы для преобразования импеданса каждого компонента амплитудно-частотная характеристика фильтра остается неизменной:
В результате преобразования все резисторы превращаются в конденсаторы, и регулировка значения параметра k позволяет получить приемлемые значения емкости для использования компонентов с допуском 10%. В данном случае выберите для C1ʹ значение 2.2 нФ:
Индуктивности превращаются в резисторы, а использование компонентов с допуском 2% или выше соответствует требованиям, предъявляемым к схеме. Конденсаторы превращаются в «суперконденсаторы», полное сопротивление которых имеет частотную зависимость вида 1/s2:
Выбор топологии пассивного фильтра, содержащего максимальное количество индуктивностей, и все конденсаторы которого соединены с землей, дает преобразованный фильтр, состоящий из множества резисторов, нескольких суперконденсаторов и всего двух обычных конденсаторов. Суперконденсатор нельзя приобрести в виде готового компонента, но его электрический аналог состоит из нескольких операционных усилителей и резисторов (Рисунок 2). Входной импеданс гиратора ZIN относительно земли определяет следующая формула:
Выбрав в формуле Z1 = Z3 = 1/Cs, установив емкость конденсатора C равной 2.2 нФ, заменив импедансы Z2 и Z5 на R = 11 кОм и установив Z4 = R4, получим решение для Diʹ:
На Рисунке 2 показана окончательная схема фильтра. Потенциометр R1 регулирует общий коэффициент усиления, а подключение резисторов R2 и R26 параллельно конденсаторам С1 и С8 предотвращает блокировку по постоянному току. В готовой конструкции фильтра используются резисторы средней точности, всего восемь конденсаторов и два счетверенных операционных усилителя LF347 – совсем немного для активного фильтра седьмого порядка, который не требует регулировки для соответствия заданным характеристикам. Благодаря точной реализации режекции для подавления пилот-сигнала, измеренное затухание фильтра на частоте 19 кГц превышает 60 дБ.
 |
|
| Рисунок 2. | Из окончательной схемы исключены индуктивности, и гираторы заменили их «суперконденсаторами». Использование компонентов со средними допусками и счетверенных операционных усилителей для уменьшения количества компонентов минимизирует стоимость схемы. |
Купить LF347 на РадиоЛоцман.Цены
