Общие сведения о фильтрах и их классификация

«Фильтр» в обобщенном смысле слова представляет собой устройство или систему, которое преобразует заданным образом проходящий через него входной сигнал. По существу фильтр преобразует входные сигналы таким образом, что определённые особенности входного сигнала сохраняются в выходном сигнале, а нежелательные свойства подавляются.

Электрический фильтр проектируется для выделения и пропускания требуемого сигнала из смеси полезных и нежелательных сигналов. Телевизионные и радиофильтры – типичные представители сложных электрических фильтров. В более узком смысле слова фильтры – это основные компоненты многих систем связи, таких, как телефония, телевидение, радиовещание, радио- и звуколокация. Электрические фильтры также можно найти в цепях преобразования мощности и системах питания. Фактически электрические фильтры так распространены в современной технике, что невозможно представить любой электронный прибор средней сложности, в котором не использовался бы фильтр в том или ином виде.

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

Электрические фильтры относятся к частотно–избирательным устройствам, в которых ослабление сигнала в некоторой области частот мало по сравнению с другими участками частотного диапазона.

Электрические фильтры можно классифицировать по разным признакам.

По элементной базе фильтры делят на:

· пассивные, состоящие из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности;

· активные, имеющие кроме пассивных элементов еще и активные, например, транзисторы или микросхемы.

По функциональному назначению различают:

· сглаживающие фильтры;

· разделительные межкаскадные фильтры;

· фильтры для разделения частотного диапазона на полосы и изменения коэффициента усиления частот полос;

· разделительные фильтры в акустических системах и др.

По полосе пропускания их делят на:

· низкочастотные (пропускают низкие и подавляют высокие частоты);

· высокочастотные (пропускают высокие и подавляют низкие частоты);

· полосовые пропускающие (пропускают сигнал в некоторой полосе частот);

· полосовые заградительные или фильтры-пробки (подавляют сигнал в некоторой полосе частот);

Разновидностью полосовых фильтров являются гребенчатые фильтры, которые представляют набор полосовых фильтров с резонансными частотами, отстоящими друг от друга на равные расстояния.

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала делятся на:

· аналоговые фильтры для обработки аналоговых или непрерывных по времени сигналов;

· цифровые фильтры для обработки дискретных по времени и квантованных по уровню сигналов (цифровых).

В зависимости от частотного диапазона аналоговые фильтры делятся на сосредоточенные и распределённые.

В основе работы любого фильтра, независимо от его сложности, лежит понятие реактивного сопротивления.

Реактивное сопротивление – это противодействие, оказываемое переменному току емкостным и индуктивным элементами цепи. В радиотехнике принято говорить о емкостном и индуктивном сопротивлении. Некоторые радиокомпоненты, например резисторы, обладают преимущественно активным сопротивлением электрическому току, которое еще называют омическим, а их реактивным сопротивлением можно пренебречь. Другие же компоненты, например катушки индуктивности, наоборот, обладают в основном реактивным сопротивлением, а их активное сопротивление можно не учитывать. Таким образом, полное электрическое сопротивление элемента в общем случае представляет собой сумму активного и реактивного сопротивлений. Активное сопротивление практически не зависит от частоты переменного тока, а реактивное – зависит от частоты, на чем и основан принцип действия электрических фильтров.

Рассмотрим классификацию фильтров по полосе пропускания более подробно.

Как было сказано выше основное назначение электрического фильтра – выделять и пропускать требуемый сигнал из смеси полезного и нежелательных сигналов. Но из-за присущих всем физически реализуемым системам ограничений мы никогда не сможем создать ни приёмник, пропускающий только одну определённую частоту и подавляющий все другие частоты, ни передатчик, который передаёт точно на частоте . Следовательно, мы проектируем фильтр, который пропускает сигналы в интервале частот , содержащем частоту , и подавляет все другие.

. (8.1)

Выражение (8.1) показывает, что значение выходного сигнала представляет собой произведение величины входного на частотную характеристику фильтра . Это означает, что если АЧХ фильтра равна нулю (или приблизительно равна нулю), то для определенного диапазона частот между и , то выходной сигнал будет иметь нулевую величину (или приблизительно нулевую) при частоте входного сигнала в полосе частот . При этом диапазон частот называется полосой задерживания фильтра. Аналогично, если АЧХ больше или равна определённому, близкому к единице числу в диапазоне частот , то выходной сигнал является усиленным или в худшем случае слегка ослабленным аналогом входного сигнала.

Определим переходную полосу как диапазон частот между полосой пропускания и полосой задерживания. Требования к АЧХ фильтра могут включать параметры полосы пропускания, полосы задерживания и переходной полосы.

Можно выделить основные типы фильтров:

1. Фильтр нижних частот – фильтр с полосой пропускания от 0 до некоторой частоты и полосой задерживания от некоторой частоты , где .

Рис. 8.1 – АЧХ фильтра низких частот

2. Фильтр верхних частот – фильтр с полосой пропускания от некоторой частоты до бесконечности и полосой задерживания от 0 до , где .

Рис. 8.2 – АЧХ фильтра высоких частот

3. Полосовой фильтр – фильтр с полосой пропускания от некоторой частоты до другой частоты и полосами задерживания от 0 до и от до ∞, где .

Рис. 8.3 – АЧХ полосового фильтра

4. Заграждающий фильтр – фильтр с полосами пропускания от 0 до и до ∞ и полосой задерживания от .

Рис. 8.4 – АЧХ заграждающего фильтра

5. Всепропускающий фильтр – фильтр с единичной передачей для всех частот (то есть с полосой пропускания от 0 до ∞). Этот тип фильтра в основном используется для обеспечения фазовой коррекции и фазового сдвига.