НЧ фильтры с перестройкой одним потенциометром

Представлены схемы простых низкочастотных узкополосных активных RC-фильтров с перестройкой частоты одним потенциометром. Приведены их амплитудно-частотные характеристики.

К настоящему времени известны многие десятки фильтров самого разнообразного назначения и степени сложности [1, 2]. Общим их недостатком является трудоемкость настройки, необходимость использования прецизионных элементов с минимальным допуском отклонения от номинала, невозможность или высокая сложность перестройки характеристик фильтров.

Ряд фильтров с возможностью перестройки полосы пропускания или подавления за счет регулировки одного потенциометра рассмотрены в предшествующих публикациях [3–8].

Ниже приведены новые варианты схем простых низкочастотных активных RC-фильтров, частотные характеристики которых могут быть легко перестроены путем регулировки всего лишь одного потенциометра. Фильтры были протестированы с использованием пакетов программ схемотехнического моделирования Multisim и Micro-Cap.

Как было показано ранее [9], путем регулировки коэффициента обратной связи операционного усилителя эквивалентные параметры RLC-элементов могут регулироваться в достаточно широких пределах.

Так, например, положение максимума полосы пропускания фильтра, Рисунок 1, меняется при регулировке потенциометра R2. На Рисунке 2 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) этого фильтра.

Рисунок 1.	Фильтр № 1.

Рисунок 2.	АЧХ фильтра № 1.

Фильтр, Рисунок 3, 4, отличается тем, что входная цепь его представляет емкостной делитель из конденсаторов C1, C2.

Рисунок 3.	Фильтр № 2.

Рисунок 4.	АЧХ фильтра № 2.

Фильтр, Рисунок 5, 6, имеет иное включение емкостного делителя на входе фильтра, причем конденсатор C2 подключен к движку потенциометра R3, регулировка которого позволяет изменять коэффициент обратной связи устройства.

Рисунок 5.	Фильтр № 3.

Рисунок 6.	АЧХ фильтра № 3.

На Рисунках 7, 8, показан фильтр, отличающийся тем, что входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя напрямую, а на инвертирующий вход – через резистор R1.

Рисунок 7.	Фильтр № 4.

Рисунок 8.	АЧХ фильтра № 4.

Фильтр, Рисунки 9 и 10, отличается способом подачи и регулировки обратной связи. В этом устройстве для регулировки в виде исключения используются два потенциометра, хотя для перестройки фильтра достаточно было бы воспользоваться одним из них, так, как это сделано в фильтре, изображенном на Рисунках 11, 12.

Рисунок 9.	Фильтр № 5.

Рисунок 10.	АЧХ фильтра № 5 при R2=500 кОм.

Рисунок 11.	Фильтр № 6.

Рисунок 12.	АЧХ фильтра № 6.

Фильтр, Рисунки 13, 14, также содержит два элемента регулировки: это потенциометр R3, регулирующий глубину обратной связи, и потенциометр R2, меняющий точку подключения конденсатора C1.

Рисунок 13.	Фильтр № 7.

Рисунок 14.	АЧХ фильтра № 7 при положении движка потенциометра R2 посередине.

Входная цепь фильтра, Рисунки 15, 16, содержит два последовательно включенных резистора R1 и R2, параллельно которым подключен конденсатор C1. К точке соединения резисторов R1, R2 подсоединен движок потенциометра R3, регулирующий глубину обратной связи и положение максимума коэффициента передачи фильтра.

Рисунок 15.	Фильтр № 8.

Рисунок 16.	АЧХ фильтра № 8.

На Рисунках 17, 18, показана схема фильтра, выполненного на двух операционных усилителях, второй из которых представляет собой повторитель напряжения. Регулировка потенциометра R4 позволяет менять эквивалентную емкость конденсатора C1 и, соответственно, характеристики фильтра.

Рисунок 17.	Фильтр № 9.

Рисунок 18.	Фильтр № 10.

Основные характеристики этого и последующих фильтров приведены в Таблице 1. В таблице указаны пределы регулировки положения максимума полосы пропускания фильтра и им соответствующие коэффициенты передачи.

Фильтр FНИЖН., кГц KПЕР., дБ FВЕРХН., кГц KПЕР., дБ № 9 1.3 94.1 2.7 92.8 № 10 4.2 81.0 5.9 83.9 № 11 3.7 26.3 12.7 22.2 № 12* 0.86 144.5 3.8 139.4 № 13 1.6 42.3 0.68 38.0 № 14 11.2 29.4 14.4 32.6

* R2 = 5…95%.

RC-фильтр, Рисунок 18, также выполнен на двух операционных усилителях микросхемы DA1 LM324.

Наиболее сложная схема фильтра, Рисунок 19, содержит три операционных усилителя микросхемы DA1 LM324.

Рисунок 19.	Фильтр № 11.

На Рисунках 20 и 21 показаны схемы фильтров, изменение частотной области пропускания которых регулируется изменением точки подключения емкости конденсатора C1 к регулятору частотной характеристики устройств (потенциометру).

Рисунок 20.	Фильтр № 12.

Рисунок 21.	Фильтр № 13.

На завершающем Рисунке 22 показана в порядке сравнения схема LC-фильтра с регулируемым коэффициентом обратной связи и дополнительным конденсатором C2, подключенным к выходу второго операционного усилителя схемы.

Рисунок 22.	Фильтр № 14.

В составе рассмотренных выше фильтров могут быть использованы операционные усилители микросхем AD642, AD644, AD648, AD696, AD746, AD796, AD823, AD8632, ADA4610, BA4560, CA012, CA526, HA-1-5104, ICL7652, LF147, LM324, LM3303, LM348, LT1058, LTC1053, MAX4163, TL034, TL054, TL064, TL074, TL075, TLE2064, TLV2264, TLV2434 и ряда других.

Следует отметить одну особенность ряда рассмотренных ранее фильтров. Указанные на рисунках и в Таблице 1 характеристики (пределов регулировки положения максимума, а также коэффициента передачи) могут отличаться при использовании микросхем (операционных усилителей) иных наименований. Такое свойство рассмотренных фильтров не является характерным для фильтров классического построения, поскольку согласно устоявшимся догматам характеристики фильтров не должны зависеть от типа используемых микросхем.

С другой стороны, общеизвестно, что любая микросхема, любой активный элемент, в том числе транзистор, имеет строго индивидуальные свойства, поэтому при замене в готовом устройстве микросхемы (транзистора) одного наименования на микросхему (транзистор) другого наименования свойства устройств, несомненно, будут меняться. При теоретическом расчете различных электронных устройств – усилителей, фильтров и т.д. индивидуальные свойства активных элементов, как правило, не учитываются, либо усредняются. В связи с этим при использовании в фильтрах статьи микросхем другого наименования в ряде случаев потребуется коррекция RC-номиналов.

Литература

1. Winder S. Analog and Digital Filter Design (2nd Ed., EDN Series for Design Engineers). Boston: Newnes Press, 2002, 450 p.
2. Passive, Active, and Digital Filters (3rd Edition, The Circuits and Filters Handbook). Ed. by Wai-Kai Chen. New York, CRC Press, 2005, 828 p.
3. Шустов М.А. LC- и RC-фильтры с регулируемой полосой пропускания // Радиомир. 2009. № 6. С. 6–7.
4. Шустов М.А. TRAP-фильтры и их применение // Радиомир. 2010. № 9. С. 23–24.
5. Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. СПб.: Наука и Техника, 2013. 352 с.
6. Shustov M.A., Shustov A.M. Electronic Circuits for All. London: Elektor International Media BV, 2017. 397 p.; Elektronika za sve: Priručnik praktične elektronike. Niš: Agencija EHO, 2017; 2018. 392 St. (Сербия).
7. Шустов М.А. Перестраиваемый RC-фильтр с регулируемой добротностью // Радиолюбитель. 2023. № 2. С. 27
8. Shustov M.A. Simple low-pass filters tunable with a single potentiometer // EDN. July 1, 2024.
9. Шустов М.А. Электронные регуляторы параметров RLC-элементов // РадиоЛоцман. 2023. № 3–4. С. 10–16.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM324
2. Datasheet Texas Instruments TLV2264