Пассивные фильтры

Потребность в схемах фильтров возникает в стереосистемах, где определенные диапазоны звуковых частот должны быть усилены или подавлены для достижения наилучшего качества звука.

Другое практическое применение схем фильтров заключается в “формировании” несинусоидальных сигналов напряжения в силовых цепях. Некоторые электронные устройства чувствительны к присутствию гармоник в напряжении источника питания, и поэтому для правильной работы требуется их фильтрация.

Здесь мы рассмотрим схемы нескольких элементарных фильтрови для этого будем широко использовать SPICE в качестве инструмента анализа, отображая графики амплитудно частотных характеристик различных типов фильтров.

RC - фильтр нижних частот

По определению, фильтр нижних частот – это схема, обеспечивающая пропускание низкочастотных сигналов и задерживание высокочастотных сигналов. Существует два основных типа схем, способных достичь этой цели, и множество вариантов каждого из них: Индуктивные и емкостные фильтры .

Фильтры нижних частот рассчитаны на определенную частоту среза. То есть частота, выше которой выходное напряжение падает ниже 70,7% (-3 dB) от входного напряжения. Этот процент отсечения не является произвольным. В RC фильтре нижних частот это частота, при которой емкостное реактивное сопротивление равно активному.

RC фильтры нижних частот часто применяются при проектировании схем, содержащих компоненты и узлы, чувствительные к электрическим помехам.

LR - фильтр нижних частот

Импеданс катушки индуктивности увеличивается с увеличением частоты. Этот высокий импеданс последовательно, как правило, блокирует попадание высокочастотных сигналов на нагрузку. Это продемонстрировано с помощью моделирования LTSPICE: (рисунок ниже)

LR фильтр нижних частот – это вершина простоты, поскольку он состоит всего из одного компонента L. Однако, катушки индуктивности обычно проявляют значительные диссипативные эффекты, как из-за большой длины проволоки, используемой для их изготовления, так и из-за магнитных потерь материала сердечника.

RC - фильтр верхних частот

Задача фильтра верхних частот прямо противоположна фильтру нижних частот. Он обеспечивает легкое прохождение высокочастотного сигнала и затрудненное прохождение низкочастотного сигнала. Как и следовало ожидать, емкостная версия фильтра верхних частот полностью противоположна соответствующей конструкциям фильтра нижних частот.

Импеданс конденсатора увеличивается с уменьшением частоты. Высокий импеданс при последовательном подключении препятствует попаданию низкочастотных сигналов в нагрузку.

Как и фильтры нижних частот, фильтры верхних частот имеют номинальную частоту среза , выше которой выходное напряжение возрастает выше 70,7% входного напряжения. Так же, как и в случае схемы емкостного фильтра нижних частот, частота среза емкостного фильтра верхних частот вычисляется по той же формуле.

LR - фильтр верхних частот

Импеданс катушки индуктивности уменьшается с уменьшением частоты. Низкий импеданс при параллельном подключении приводит к тому, что низкочастотные сигналы не попадают в нагрузку.

Выводы

Фильтр верхних частот обеспечивает свободное прохождение высокочастотных сигналов от источника к нагрузке и затрудненное прохождение низкочастотных сигналов.
Емкостные фильтры верхних частот включают конденсатор последовательно с нагрузкой; индуктивные фильтры верхних частот вставляют резистор последовательно и катушку индуктивности параллельно нагрузке. Первая конструкция фильтра пытается «заблокировать» нежелательный частотный сигнал, а вторая пытается его закоротить.
Частота среза фильтра верхних частот – это частота, при которой выходное напряжение составляет 70,7 % входного напряжения. Выше частоты среза выходное напряжение превышает 70,7% от входного, и наоборот.

Применение фильтров нижних и верхних частот

Хорошим практическим примером применения фильтров верхних частот является стереосистема. Здесь конденсатор, соединенный последовательно с высокочастотным динамиком, будет служить фильтром верхних частот, фильтруя низкочастотные басовые сигналы, тем самым предотвращая растрату мощности на высокочастотном динамике.

Точно так же катушка индуктивности, соединенная последовательно с низкочастотным (басовым) динамиком, будет служить фильтром нижних частот для низких частот, для воспроизведения которых предназначен басовый динамик.

RC - полосовой фильтр

Часто возникает необходимость отфильтровать определенную полосу частот из широкого диапазона сигналов. Для выполнения этой задачи схемы фильтров разрабатываются путем объединения фильтров нижних и верхних частот. Результат такого объединения называется полосовым фильтром. Создание полосового фильтра из фильтра нижних и верхних частот можно проиллюстрировать с помощью блок-схемы.

То, что получается в результате последовательного объединения этих двух фильтров, представляет собой схему, которая пропускает только те частоты, которые лежат в полосе пропускания.

LC - последовательный резонансный полосовой фильтр

Для полосовых фильтров существуют две основные резонансные стратегии: последовательный LC для пропуска сигнала или параллельный LC для короткого замыкания сигнала. Две схемы представлены и смоделированы здесь.

Поскольку эти фильтры работают по принципу последовательного LC-резонанса, резонансная частота не зависит от сопротивления нагрузки. Однако изменят добротность фильтра.

LC - параллельный резонансный полосовой фильтр

В другом варианте резонансных полосовых фильтров используется схема параллельной комбинации LC, чтобы закорачивать сигналы слишком высокой или слишком низкой частоты.

Колебательный контур будет иметь большой импеданс при резонансе, что позволит сигналу попасть на нагрузку с минимальным затуханием. Однако ниже или выше резонансной частоты колебательный контур будет иметь низкий импеданс, закорачивая сигнал и пропуская большую его часть через резистор R ₁ .

Точно так же, как мы можем использовать последовательные и параллельные LC– резонансные цепи для пропускания только частот в полосе пропускания, мы можем использовать их для блокировки частот в определенном диапазоне, создавая полосовой режекторный фильтр. Здесь есть две стратегии для этого: использовать либо последовательный, либо параллельный резонанс.

Параллельная LC-цепь имеет высокий импеданс на резонансной частоте, тем самым блокируя сигнал от нагрузки на этой частоте. И наоборот, он пропускает сигналы в нагрузку на любых других частотах.

LC - полосовой фильтр

В этой схеме индуктивности должны блокировать любые высокие частоты, в то время как конденсатор должен закорачивать любые высокие частоты

Поначалу это кажется хорошей стратегией и устраняет необходимость в последовательном сопротивлении. Однако любая комбинация конденсаторов и индуктивностей вместе в цепи вызывает резонансные эффекты.

Проведем моделирование этой схемы в широком диапазоне частот и посмотрим, что происходит.

То, что должно было быть фильтром нижних частот, оказалось полосовым фильтром с пиком где-то около 526 Гц! Емкость и индуктивность в этой схеме фильтра достигают резонанса в этой точке, создавая большое падение напряжения вокруг C ₁ , которое наблюдается на нагрузке, независимо от ослабляющего влияния L _{2 .}

Выводы

Полосовые фильтры отфильтровывают слишком низкие или слишком высокие частоты, позволяя легко проходить только частотам в определенном диапазоне.
Полосовые фильтры могут быть изготовлены путем наложения фильтра нижних частот на конец фильтра верхних частот или наоборот.
«Ослабить» означает уменьшить амплитуду. Когда уменьшается громкость на стереосистеме, «ослабляется» сигнал, посылаемый на динамики.