Фильтры ВЧ. Виды и работа. Применение и особенности

Электронные каскады, фильтрующие высокие частоты (ФВЧ) – это схемы, благодаря которым удается пропускать высокочастотные колебания и «подавлять» до минимума остальные составляющие общего сигнала. Фильтры ВЧ выполняют не только особую избирательную функцию; они нередко используются и в качестве элементов межкаскадных связей в современных усилительных устройствах.

Термины «высокие», «средние» и «низкие частоты», предназначенные для ВЧ, СЧ, НЧ колебаний, выбираются в данном случае чисто условно. Значения частотной характеристики обрабатываемого сигнала определяются стоящими перед разработчиками задачами и назначением описываемого устройства.

Фильтры ВЧ в схемах и их разновидности

При разработке схемных решений, обеспечивающих пропускание ВЧ сигналов, используются элементы преобразующих цепей, имеющие нелинейные переходные характеристики (емкости и индуктивности, в частности). Особенности зависимости их импеданса (эквивалентного сопротивления) от частоты позволяют организовать избирательную цепочку с заранее просчитанными техническими характеристиками.

Поскольку в качестве нелинейных элементов могут использоваться как емкости, так и индуктивности – возможные решения представлены двумя разновидностями схем RC b RL цепями.

Фильтры ВЧ с конденсатором и резистором (RC-схемы)

Filtry VCH 2

На (Схема-1) функцию элемента, определяющего нелинейный характер фильтрующей цепочки, выполняет последовательно включенный конденсатор. Скорость его заряда и разряда через параллельно подсоединенный резистор R в основном зависит от частоты следования входных сигналов синусоидальной формы.

Работа этой цепи описывается следующим образом:

Поступающие на вход схемы НЧ и СЧ сигналы с относительно большой длиной волны не успевают полностью заряжать и разряжать конденсатор C.
В результате этого для них на выходе формируется обрезанная и вытянутая вдоль оси абсцисс синусоида.
Из-за этого ее амплитуда близка к потенциалу нулевого провода.

В отличие от НЧ и СЧ составляющих высокочастотные колебания очень быстро перезаряжают конденсатор и проходят на выход этой цепи практически без потерь.

Фильтры ВЧ на индуктивном элементе (RL)

Filtry VCH 3

На (Схема-2) в качестве нелинейной части схемы применяется дроссель с заданным значением индуктивности, включенный в цепь параллельно выходу. В данном решении используется свойство индуктивных элементов накапливать энергию ВЧ колебаний, рассеивая ее на внешней нагрузке с небольшим опозданием (сдвигом фазы).

Чем выше частота колебаний сигнала – тем большую энергию аккумулирует выходная катушка и тем значительнее фазовый сдвиг, достигающий 90 градусов.

Благодаря этой особенности индуктивного элемента НЧ и СЧ составляющие полностью рассеиваются на резисторе R, а ВЧ сигнал свободно «проходит» на выход схемы.

Аналитическая форма представления ВЧ фильтров

Лучше понять, как работают фильтры ВЧ, поможет ознакомление с аналитическими преобразованиями, которые претерпевает сигнал при его прохождении через эти цепочки. Для этого удобно представить составляющие фильтр части в виде двух комплексных величин Z1 и Z2. В зависимости от того, какая из них выбрана в качестве нелинейного элемента – возможны два следующих варианта.

Емкостная цепочка

В этом случае общее сопротивление последовательной цепи с резистором и емкостью будет выглядеть так:

Z1+ Z2 = R+(1/jwС)

Где C – это емкость конденсатора.

w – круговая скорость колебаний (частота сигнала).

Из приведенного выражения видно, что для НЧ и СЧ колебаний при какой-то средней величине емкости второй его член будет достаточно велик. Цепочка для них представляет большое сопротивление. В результате эти сигналы если и будут проходить на выход, то с очень малой амплитудой (с большим затуханием).

Для высоких частот все складывается в этом случае наоборот. За счет большого значения радиальной скорости второй член в выражении устремляется к нулю, а сопротивление всей цепи становится минимальным. Высокочастотные колебания без каких-либо потерь свободно проходят на выход.

RL схемы

Для цепочки, в которой вместо конденсатора C устанавливается индуктивность L, приведенная выше формула принимает следующий вид:

Z1+ Z2 = R+jwL

Где L – это индуктивность катушки.

w – круговая частота сигнала.

В этом случае для низких и средних частот при фиксированном значении L второй член выражения очень мал. Это приводит к падению всего входного напряжения на сопротивлении R. То есть в такой схеме из частот на выход практически ничего не «проходит».

Для ВЧ колебаний вторая составляющая достаточно велика и на этой части комплексного импеданса «падает» большая часть входного напряжения. При этом на активном сопротивлении R практически ничего не остается. Таким образом, ВЧ сигнал преодолевает фильтрующую цепочку почти без потерь.

Как фильтры ВЧ реагируют на прямоугольные импульсы

Для полноты понимания того, как функционируют фильтры ВЧ – потребуется ознакомиться с их реакцией на последовательность импульсов прямоугольной формы. Но прежде необходимо понять, что собой представляют сигналы этого типа. Согласно теории гармонических колебаний такая последовательность или отдельный импульс – это результат сложения множества простейших гармоник практически всех частот. В него помимо низкочастотных составляющих также входят сигналы средней и высокой частоты.

Понятно, что при прохождении через фильтры ВЧ прямоугольный импульс «потеряет» часть своих гармонических составляющих (низкие и частично – средние частоты). На выходе цепочек типа «RC» и «LR» будут преобладать высокочастотные компоненты. Это приведет к видоизменению входного импульса, который превратится в дифференцированный сигнал особой формы.

Конкретные параметры выходных колебаний зависят от следующих факторов:

Частота следования входных импульсов.
Величина импеданса дифференцирующей цепочки (фильтра ВЧ).
Амплитуда импульсов и их скважность.

Из-за того, что в цепи с конденсатором протекают зарядные и разрядные процессы (ток в нагрузке меняет свое направление) – на выходе появляются отрицательные всплески напряжения. Это свойство нередко используется в электронных схемах, когда необходимо получить короткие синхронизирующие импульсы различной полярности.

Основные характеристики ФВЧ

Полностью описать функционал фильтров ВЧ удается, если воспользоваться следующими рабочими характеристиками схемных решений:

Частота среза обрабатываемых сигналов.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания.
Вид АЧХ.
Величина задержки фильтра и его фазовая характеристика (ФЧХ).
Среднее время установки сигнала.

К рабочим параметрам ВЧ фильтров, полностью характеризующим эти устройства, также относят динамический диапазон сигнала в полосе частот пропускания.

Фильтры ВЧ – разделительные элементы межкаскадных RC-связей

Фильтры ВЧ могут использоваться не только в качестве избирательного элемента или дифференцирующего звена электронных каскадных устройств. Нередко такие схемы востребованы при необходимости организации межкаскадной RC-связи. Если на их входе действует напряжение прямоугольной формы с периодичностью Т<<RC – на выходе удается получить его точную копию. Для понимания этого эффекта достаточно разобраться с тем как работает схема с RC-цепочкой.

При ее анализе важно учесть следующие моменты:

Конденсатор в течение половины периода успевает почти полностью перезарядиться, так что выходное напряжение будет идентично сигналу на входе.
Поскольку постоянный ток через него не течет (основное свойство конденсатора) – среднее значение напряжения на выходе равно нулю.
То есть постоянная составляющая в схемах с RC-цепочкой на выход не передается.

Все эти свойства позволяют использовать фильтрующие конденсаторные элементы, в частности, в различных каскадах усилительных трактов. Чаще всего они устанавливаются на тех участках схем, где возникает необходимость в избирательном пропускании сигнала.

Области применения

В первую очередь фильтры ВЧ широко применяются в электронике и электротехнике. Дело в том, что большинство современных схем, используемых при построении различных электронных устройств, нуждаются в фильтрующих и разделительных каскадах. Их функцию как раз и выполняют RL и RC-цепочки.

Помимо этого ФВЧ достаточно часто используются при решении следующих задач:

Обработка звуковых (акустических) колебаний.
Разделение сигналов по частотам (кроссирование).
Построение видеоряда.

В первом случае фильтры ВЧ позволяют выделять нужные составляющие при синтезе музыкального звукоряда, например, или при очистке сигнала от «паразитных» шумов с высокочастотным спектром. Для кроссирования колебаний в зависимости от их предназначения используются специальные разделительные фильтры, построенные на основе RC-цепочек.

Возможности этих элементов электрических и электронных схем до сих пор полностью не исчерпаны. Их перспективность подтверждается постоянным применением фильтров ВЧ в самых современных разработках.