Фильтры СЧ. Виды и применение. Работа и особенности

Прежде чем понять, что собой представляют фильтры СЧ – потребуется ознакомиться с существующими разновидностями устройств этого типа. Основной фактор, учитываемый при классификации таких фильтрующих схем – это расчетные границы пропускания обрабатываемого сигнала.

Классификация фильтров по частотам среза

Согласно этому признаку все известные фильтры гармонических колебаний подразделяются на следующие виды:

Элементы схем, пропускающие только низкие частоты (ФНЧ).
Фильтры СЧ (средних частот — ФСЧ).
Фильтрующие схемы для ВЧ сигналов (ФВЧ).
Полосовые фильтры.
Их полосно-заграждающие аналоги.

Первая разновидность фильтрующих устройств согласно своему названию и назначению пропускает только низкочастотные колебания, задерживая или «отсеивая» все остальные. Для схем третьего типа характерно, что они пропускают на выход одни только ВЧ сигналы. Так называемые «полосовые фильтры» работают в определенной полосе частот, заранее определенной расчетным путем.

Последний тип фильтрующих устройств отличается от остальных наличием дополнительных возможностей. С их помощью удается блокировать («вырезать») целые полосы выбранных частот. Наиболее распространенная разновидность этих схемных решений – режекторные устройства и так называемые «фильтры-пробки».

Фильтры СЧ и их разновидности

Для таких фильтрующих устройств характерно, что они пропускают на выход только средние частоты в определенной полосе, подавляя все остальные гармонические составляющие. По своим характеристикам и выполняемым функциям они относятся к категории известных специалистам полосовых фильтров.

Filtry SCH 2

Приведенные схемы, как правило, состоят из нескольких частотно-зависимых элементов или узлов, настроенных на верхнюю и нижнюю границу диапазона СЧ. Благодаря этому они пропускают сигналы, лежащие в выбранной полосе частот и «вырезают» колебания, лежащие за ее пределами.

Filtry SCH 3

Границы этого диапазона, обозначаемые как f₁ и f_2,называются частотами среза фильтрующего элемента или схемы (нижней и верхней соответственно). При назначении этих пределов вводится средний частотный показатель, представляющий центральную позицию. На графике она обозначается как «f₀» и в некоторых схемных решениях соответствует резонансной частоте.

По способу обработки входного сигнала эти устройства подразделяются на пассивные и активные фильтрующие системы. В первом случае сигнал пропускается без повышения уровня и с небольшими потерями мощности. Реактивные компоненты таких фильтров – те же катушки индуктивности и емкости (конденсаторы), отличающиеся нелинейной зависимостью от частоты. Эти элементы, как правило, используются в сочетании с обычными резисторами, задающими режим работы всей схемы в целом.

Активные фильтры СЧ и их виды

При использовании активного варианта исполнения фильтрующих систем входное напряжение увеличивается посредством специально введенных в схему усилительных элементов. Для фильтров активного типа с нелинейными характеристиками усиление максимально именно на центральной частоте.

Для активного фильтра СЧ полоса пропускания (ПП) начинается практически с нуля Герц. Ее верхняя граница располагается в районе резонансной частоты, фиксируемой на уровне -3 дБ по отношению к максимальному значению. В зависимости от добротности контуров, образованных схемными элементами, фильтры СЧ подразделяются на широкополосные и узкополосные устройства. Первые могут захватывать полосы, обычно относящиеся к высоким и низким частотам, а вторые (согласно своему названию) имеют зауженный диапазон.

Усилительные элементы вводятся между фильтрующими узлами нижнего и верхнего среза, обеспечивая их надежную развязку (независимость один от другого). Фиксированные значения пограничных частот в таких схемах, согласно требованиям нормативов, должны выдерживаться с достаточно высокой точностью.

Широкополосные фильтры СЧ

В ситуации, когда добротность резонансных контуров фильтрующего устройства СЧ не превышает десяти единиц – его полоса пропускания считается достаточно большой, а сам он называется «широкополосным». В таком фильтре верхняя граница среза значительно превышает значение для нижнего предела частотного диапазона. Для реализации широкополосных фильтров СЧ в схему потребуется ввести два усилительных элемента, работающих на относительно низких и относительно высоких частотах.

Последовательность обработки сигналов в такой схеме, это:

В первую очередь обрабатываемый сигнал поступает на фильтр относительно высоких частот с активным элементом, имеющим большой коэффициент усиления.
В результате этого выходные колебания ФВЧ увеличиваются практически до бесконечности, после чего они подаются в фильтр относительно низких частот.
По завершении двойной обработки формируется сигнал с широкой полосой пропускания и с заданным центральным значением частотного показателя.

Согласно общепринятой классификации совместное использование в одной схеме фильтров относительно высоких и относительно низких частот позволяет получить полосовые фильтры СЧ определенной категории.

Так, объединение двух обычных фильтрующих элементов приводит к образованию ФСЧ второго порядка. А использование двухкаскадных схем ФВЧ и ФНЧ дает в результате аналогично схемное решение 4-го порядка.

Увеличение числа элементов фильтра СЧ влечет за собой снижение добротности контуров этого избирательного элемента. Объясняется это тем, что входящие в состав схемы конденсаторы блокируют передачу постоянной составляющей комплексного сигнала. Спад кривой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на обоих фиксированных срезах в среднем не превышает ± 20 дБ/дек.

Узкополосные фильтры средних частот

В случае, когда показатель добротности контуров заметно превышает десять единиц – полоса пропускания такого фильтра получается довольно узкой. Для его построения потребуется только один активный элемент, выполненный на операционном усилителе (ОУ) инвертирующего типа.

При значительных величинах коэффициента усиления ОУ его максимум достигается на средней частоте полосы пропускания, которая обозначается как f₀.

Электронные схемные решения, соответствующие функционалу узкополосного фильтра СЧ, помимо ОУ содержат в своем составе пассивные и реактивные элементы (емкости и индуктивности).

Filtry SCH 4

Активный полосовой фильтр СЧ с искусственно введенной обратной связью (ОС)

В данном варианте исполнения активного ФСЧ на основе узкополосной схемы используется так называемая «отрицательная обратная связь» (ОС), вводимая не только по току, но и по напряжению. Этот схемный прием обычно реализуется за счет подачи выходного сигнала на вход ОУ. Благодаря введению двойной обратной связи существенно повышается устойчивость работы всей схемы в целом.

Еще одно преимущество использования схемного решения с «глубокой» ОС – возможность расширить диапазон частот обрабатываемого сигнала. Причем добиться этого удается без повышения коэффициента усиления на центральной частоте полосы пропускания сигналов.

Области применения фильтров средних частот

Современные устройства, в которые встраиваются узкополосные и широкополосные фильтры СЧ, применяются в самых различных областях радиотехники. В современных радиопередающих приборах, в частности, они используются с целью подавления мешающих приему помех.

С их помощью также удается решить следующие важные задачи:

Снизить интенсивность мешающих сигналов, частоты которых располагаются за пределами диапазона, выбранного для радиопередачи и приема.
Выделение нужной гармоники колебаний СЧ в электронных схемах умножения частоты.
Фильтрация нужных частотных составляющих в современных электронных синтезаторах.

Основная функция, выполняемая фильтрами СЧ в радиоприемных устройствах – выделение полезного диапазона частот для настройки на нужную станцию и получение звучания высокого качества.

Достаточно часто фильтры СЧ применяются в электронных эквалайзерах, позволяя существенно расширить возможности частотной коррекции звукового сигнала.

Кроме того, ФНЧ можно встретить в современных цифровых системах обработки сигналов, где они используются для корректировки фазово-частотной характеристики канала передачи.

Ко всему перечисленному следует добавить следующие сферы применения фильтров средних частот в различных электронных областях:

В качестве активных полосовых фильтров СЧ, используемых в электронно-оптических приборах типа «LASER».
В усилителях звуковой частоты, где они применяются для выделения нужной полосы колебаний.
Для избирательной настройки каналов передачи данных с определенной полосой пропускания в системах сверхдальней связи.
Часто устанавливаются на входе радиоприемных устройств с целью повышения отношения сигнал/шум и чувствительности аппарата и т.п.