6.9 Активные фильтры на основе оу

Активным фильтром называется электронное устройство, в состав которого входит усилительный элемент, формирующий заданную форму АЧХ. Вид частотной характеристики (зависимость модуля коэффициента усиления от частоты) определяет область использования и название фильтров: низкочастотные, высокочастотные, избирательные и режекторные (см. рисунки 6.14 и 6.15).

По сравнению с пассивными фильтрами активные с наличием усилительного звена в своем составе обладают рядом существенных достоинств и некоторыми недостатками. К преимуществам активных фильтров следует отнести:

- малые габариты и вес особенно для устройств низкочастотного диапазона (пассивные фильтры строятся на реактивных LС элементах, которые для низкой частоты имеют значительные размеры);

- возможность реализации каскада с заданными частотными свойствами и большим коэффициентом усиления;

Рисунок 6.14 – Классификация активных фильтров

Рисунок 6.15 – Вид АЧХ активных фильтров

- простоту настройки фильтров, не требующей высокой квалификации;

- при использовании в качестве усилительного элемента ОУ активные фильтры легко перестраиваются за счет размещения частотно зависимого элемента из обратной связи во входную цепь и наоборот, что ведет к качественному изменению типа АЧХ;

- возможность построения всех типов фильтров без применения индуктивностей, которые ограничивают применение интегральных технологий.

К недостаткам активных фильтров можно отнести:

- область их применения ограничена малыми выходными мощностями, что ограничивает их использование в силовой электронике;

- помимо непосредственно частотнозадающих элементов усилителей АЧХ фильтров в некоторой степени зависят от АЧХ самих усилительных элементов, а например, сверхвысокочастотный диапазон чаще всего является недоступным.

В последнее время в качестве усилительных элементов активных фильтров применяют операционные усилители.

Фильтр низких частот на ОУ построить крайне просто. Для этого необходимо задаться функцией зависимости от частоты сопротивления в цепи ООС вида: . Ту же АЧХ можно получить если входное сопротивление (для инвертирующего включения ОУ) имеет вид: . Если совместить оба варианта в одной схеме получим фильтр с более крутым спадом АЧХ на частоте фильтра w_Н.

На рисунке 6.16 представлено именно такое решение.

Рисунок 6.16 – Принципиальная схема НЧ фильтра на ОУ

Рисунок 6.17 – Принципиальная схема ВЧ фильтра на ОУ

В цепи обратной связи установлена емкость С1, сопротивление которой уменьшается с ростом частоты пропорционально . Следовательно с ростом частоты коэффициент усиления ОУ К_U будет падать. К уменьшению с ростом частоты К_U ведет и шунтирование входа емкостью С2 (входной сигнал буде падать на R1 и R2).

При введении во входную цепь частотнозависимого элемента (для инвертирующего ОУ) необходимо помнить о том, что сопротивление во входной цепи определяет входное сопротивление усилителя и его близкое к нулю значение (на высокой частоте) может нарушить работу предыдущих каскадов устройства. Поэтому активные фильтры на ОУ корректнее выполнять на основе неинвертирующего усилителя.

Фильтр высоких частот (ВЧ) изображен на рисунке 6.17.

Рисунок 6.17 – Принципиальная схема ВЧ фильтра на ОУ

В данной схеме частотно зависимые элементы С1 и С2 установлены последовательно во входную цепь инвертирующего ОУ, причем с ростом частоты его сопротивление уменьшается, что ведет к росту К_U. Сопротивление в цепи ОС R2 усилителя не зависит от частоты. При необходимости получить высокую избирательность фильтра можно дополнить схему частотно зависимым элементом в цепи ООС, либо последовательно с первым поставить дополнительный активный фильтр.

С практической точки зрения ВЧ фильтр корректнее строить на ОУ в неинвертирующем включении. В этом случае нет необходимости учитывать влияние частоты на входное сопротивление усилителя.

Фильтр промежуточной частоты (избирательный, ПЧ-фильтр) применяют в аппаратуре, где необходима передача, прием, усиление узко частотного сигнала, например, передача звука и изображения на расстояние, локация, измерительная техника и т.д. На рисунке 6.18 представлена типовая схема активного ПЧ-фильтра на ОУ. В качестве частотно зависимого элемента в представленном варианте используется пассивный фильтр типа «двойной Т-образный мост», размещенный во входной цепи инвертирующего ОУ. Для данного типа пассивного фильтра его сопротивление минимально на частоте среза при этом коэффициент усиления возрастает. Применение специализированных фильтров имеет особенности. АЧХ фильтра (в том числе и «двойной Т-образный мост») требует точного подбора элементов фильтра, т.е его настройки. Для получения высокой избирательности необходимо соблюдения следующих соотношений: R_Ф1 = R_Ф2 = 2·R_Ф3, С_Ф1 = С_Ф2 = 2·С_Ф3. Чем точнее подбор номиналов (R_Ф и С_Ф), тем выше характеристики активного фильтра.

Рисунок 6.18 – Принципиальная схема фильтра ПЧ на ОУ

Режекторный фильтр на ОУ изображен на рисунке 6.19

Рисунок 6.19 – Принципиальная схема режекторного фильтра ОУ