1.1. Фильтры: краткое введение

Фильтрами, или электрическими фильтрами, являются частотно-избирательные цепи, спроектированные для «пропускания» или передачи синусоидальных сигналов в одной или более непрерывных частотных полосах и «остановки» или загралч-дення в дополняющих полосах. В зависимости от полосы частот прохождения сигнала фильтры с одной полосой пропускания классифицируются на фильтры нижних частот, верхних

Поласна-пропушющии фильтр {ПФ)

Рис 1.1. Типовые частотные спектры на входе и выходе полосно-пропускаю-щего фильтра

а - частотный спектр входного сигнала: 6-частотный спектр выходного сигнала 1ПФ)

частот и полосно-пропускающие (полосовые). Например, полоса пропускания показанного на рис. 1.1 полосового фильтра простирается от частоты oJi До ша. Существуют и другие типы фильтров, такие, как всепропуекающие, частотовыделяющие (узкополосные) и частотоподавляющие (режекторные). Все они подробнее будут рассмотрены в следующих разделах. Другая классификация фильтров основана на тех положениях теории цепей, по которым они рассчитываются. Она включает фильтры по характеристическим параметрам и фильтры по рабочим параметрам.

Фильтр по характеристическим параметрам составляется каскадным соединением четырехполюсных звеньев, характери-

5107

Введение

стические сопротивления которых согласованы при их соедипе-нии. Если при этом фильтры согласованы и с нагрузками на зажимах, то в полосе пропускания «характеристическое затухание» будет равно нулю. Однако из-за частотной зависимости характеристического сопротивления и резистивных нагрузок фильтр на своих зажимах не согласован на всех частотах, что

ЗтуканцеА,

аб,нп

Рис 1.2. Типовые требования по затуханию для полосно-пропускающего фильтра

приводит к ненулевому значению затухания в полосе пропускания.

Альтернативный метод расчета фильтров основан на рабочих параметрах затухания. На рис. 1.2 приведены типовые требования на полосно-пропускающий фильтр. Рабочие параметры предусматривают обеспечение затухания в полосе пропускания (в диапазоне частот от cosi до швг) ниже определенного максимального значения Лтах, измеряемого в децибелах или неперах, и затухания в полосе задерлсивания (для частот ниже cus1 и выше cus2) выше заданного минимального значения Лтш. Ширина интервалов mbi - (Osj и cosj - сов2 характеризует требуемую частотную избирательность. Из-за паразитного рассеяния в элементах фильтров реальная кривая затухания существенно отличается от теоретической, особенно на краю полосы и в окрестностях точек бесконечно большого затухания. Одно из достоинств теории рабочих параметров состоит в том, что указанное влияние неидеальности элементов компенсируется методом предыскажения, который, однако, дает постоянное значение затухания в полосе пропускания. Часто для той же (что и у характеристического фильтра) структуры рассчитанный по рабочим параметрам результирующий фильтр обеспечивает (при одном и том же числе звеньев) лучшие характеристики. Это улучшение получается за счет существенного усложнения вычислений, что являлось главным сдерживающим фактором до современного распространения компьютеров. С расширением в настоящее время вычислительных возможно-

стей проектирование фильтров по рабочим параметрам стало побсеМестно доступным в виде таблиц фильтров типа помещенных в книге Zverev А. I. Handbook of Filler Synthesis, Wiley, Inc., N. Y., 1967. В предлагаемой книге проектирование фильтров также основано на методе рабочих параметров и исполь Зуется, как указано в гл. 7, для определенных применений в качестве исходных данных упомянутого справочника.

1.2. Активные фильтры

Вместо затрат значительных средств на совершенствование теории, технологии и изготовления LC-фильтров, расширяется тенденция по исключению последних из современной электронной аппаратуры, поскольку интегральные схемы полностью изменили обычные системы и критерии, принятые раньше в разработках. Таким образом, LC-фильтры наряду со всеми другими типами схем, не соо1ветствуюш,ими данному направлению микроминиатюризации, быстро заменяются более подходящими. Среди них находятся активные фильтры, где резисторы, конденсаторы и активные приборы объединены в активные цепи с фильтровыми характеристиками, сравнимыми или превосходящими аналогичные параметры LC-прототипов. В качестве активного прибора неизменно используется операционный усилитель благодаря своим исключительным свойствам, приемлемой стоимости и быстрой поставке. Термин «активные фильтры» включает множество различных построений схем и методов проектирования, важнейшие из которых можно сгруппировать в следующие три категории.

Каскадное проекткрованке фкльтров

Здесь подразумеваются изолированные звенья фильтров второго порядка (часто называемые биквадратными схемами или «биквадами»), соединяемые каскадно для реализации требуемых передаточных функций более высокого порядка. Отдельные узлы, составляющие фильтр, могут быть второго или третьего порядков и включать один или более операционных ))*силителей (ОУ).

Имитация LC-фипьтров

Исходной позицией является структура LC-фильтра. Далее она реализуется либо имитацией каждой индуктивности гира-topHo-конденсаторной цепью, либо преобразованием первоначальной схемы фильтра таким образом, чтобы ее можно было реализовать с помощью обобщенных конверторов сопротивления (ОКС), например частотно-зависимых отрицательных сопротивлений (ЧЗОС). Как гираторы, так и ЧЗОС строятся на основе операционных усилителей.