Схема активного перестраиваемого фнч с трансформаторной связью. Фильтры на микросхемах оу. Схемы пассивных фильтров

Классификация фильтров и их основные характеристики

Классификацию фильтров можно осуществить по разным признакам, важнейшим из которых является признак, связанный с частотной полосой пропускания. По этому признаку различают следующие виды фильтров:

§ нижних частот (ФНЧ);

§ верхних частот (ФВЧ);

§ полосовые (ПФ);

§ режекторные или заграждающие (РФ).

Если фильтр пропускает гармоники с частотой от нуля до фиксированной частоты, называемой нижней частотой среза f нср (w нср = 2pf нср), ослабляя при этом все частоты выше этой частоты, то этот фильтр относится к ФНЧ. Если же фильтр пропускает все гармоники с частотами, начиная от фиксированной частоты, называемой верхней частотой среза f вср (w вср = 2pf вср), и ослабляет все частоты ниже этой частоты, то этот фильтр относится к ФВЧ. Фильтр, который пропускает гармоники с частотой, начиная от некоторой фиксированной нижней частоты среза f нср до установленной верхней частоты среза f вср, и подавляет гармоники со всеми другими частотами, то этот фильтр относится к ПВ. Наконец, если фильтр давит гармонику только с определённой фиксированной частотой f р и пропускает все гармоники с другими частотами, то этот фильтр относится к РФ. Основными характеристиками фильтров согласно определению являются АЧХ и ФЧХ. Амплитудно-частотная характеристика Н (j w) = çК (j w) çописывает изменение отношения выходной и входной амплитуд гармоники в зависимости от изменения её частоты. Фаза-частотная характеристика определяется функцией j(w), которая описывает изменение выходной фазы гармонического сигнала относительно её входного значения в зависимости от изменения частоты. Соответствующие частоты среза находятся из уравнения Н (w i ) = 0,707 =1/Ö2, где w i устанавливает соответствующую частоту среза на уровне 0,707 или на уровне 3 дБ. По АЧХ, которая для наглядности обычно представляется графиком или аналитически в виде формулы, можно определить помимо соответствующих частот среза и другие параметры. К этим параметрам относятся полоса пропускания Df п, полоса затухания фильтра Df з и полоса подавления Df пд.

Диапазон частот для АЧХ от нуля до f нср или от f вср и выше называется полосой пропускания. Так как АЧХ не может мгновенно понизиться до нуля после f нср или наоборот повысится от нуля до f вср, то существует определенный интервал частот АЧХ, превышающий f нср или не превышающий f вср, который называется полосой затухания (заграждения) или переходным интервалом частот. При этом нижний уровень затухания или соответственно возрастания АЧХ, определяющий переходный участок, соответствует для определённости величине a, равной, например 0,1 (рис. 1). Тогда переходный интервал частот определяется решением уравнений Н (w пз i ) = a и Н (w i ) = 0,707, где индекс i определяет соответствующую частоту среза на уровне a и 0,707. Все частоты выше или соответственно ниже w пз i принадлежат к, так называемой, полосе подавления соответствующего фильтра.

Важной характеристикой является крутизна S (f 1 ,f 2) АЧХ фильтра, которая определяется по углу наклона АЧХ (АЧХ) в полосе заграждения и аналитически определяется из равенства

S (f 1 , f 2) = 20 log [Н (f 1) / Н (f 2)],

где Н (f 1) и Н (f 2) – значения АЧХ соответственно на частотах f 1 и f 2 , взятых в пределах её полосы затухания.

Для оценки крутизны S (f 1 , f 2) АЧХ фильтра в децибелах на декаду необходимо выполнение равенства f 2 = 10 f 1 , а для ее оценки в децибелах на октаву – f 2 = 2 f 1 .

Фильтры в зависимости от схемотехнического выполнения делятся на пассивные и активные. Активные фильтры отличаются от пассивных фильтров, прежде всего, наличием активного элемента, выполненного, например, в виде операционного усилителя.

На рис. 1 приведены иллюстрационные графики частотных характеристик с указанием их основных параметров и имеют ориентировочный вид.

Рисунок 1.– Иллюстрационные графики частотных характеристик ВНЧ, ВФЧ, ПФ

Поскольку частотные свойства фильтров, в том числе и крутизна АЧХ, определяются их передаточной функцией, то, в зависимости от ее вида, различают фильтры первого, второго и высших порядков.

Передаточная функция активного ФНЧ n -го порядка имеет вид

К (s ) = К 0 /(1 + a 1 s + a 2 s 2 +….+ a n s n ),

где К 0 – коэффициент передачи на постоянном токе.

Очевидно, что порядок передаточной функции определяется соответствующей схемой реального фильтра. Так, для фильтра первого порядка передаточная функция при s = j w и К 0 = 1 описывается в виде

К (j w) = 1/(1 + RC j w),

где R и C номиналы резистора и конденсатора, входящих в схему фильтра, а ФЧХ имеет вид j (w) = – arc tg (w / w 0), поскольку w 0 = t –1 при t = RC .

Из передаточной функции путём простых преобразований получаем АЧХ для ФНЧ первого порядка

Выполняя аналогичные действия, получаем АЧХ и ФЧХ для ФВЧ 1-го порядка

j (w) = p/2– arc tg (w / w 0).

Фильтры более высоких порядков можно построить каскадным соединением фильтров меньших порядков. Например, фильтр четвертого порядка можно создать с помощью последовательного соединения двух фильтров второго порядка. При этом передаточные функции перемножаются.

Схемы активных фильтров второго порядка включают в себя операционный усилитель (ОУ) хваченный отрицательной или положительной обратной связью в виде частотно-зависимых цепей. Примеры подобных фильтров приведены на рис. 2 (а, б, в).

Рисунок 2. – Схемы фильтров 2-го порядка на операционных усилителях ОУ: а – ФНЧ; б – ФВЧ; в – РФ.

Как следует из рис. 2 (а ) ФНЧ 2-го порядка построен на основе каскадного соединения двух RC цепочек, причём, в первой RC цепочке конденсатор подключён к выходу ОУ и, тем самым, он образует положительную обратную связь для ОУ с целью увеличения коэффициента передачи фильтра на f нср. Определение номиналов резисторов и конденсаторов осуществляется по заданной частоте f нср в соответствии с формулами

Обычно предварительно задаются номиналами резисторов R 1 и R 2 . Далее по приведённым формулам вычисляют номиналы конденсаторов, подбираю из справочника ближайшие к ним номиналы и при необходимости корректируют предварительно выбранные номиналы резисторов, чтобы обеспечить нужную частоту f нср. Таким образом, расчёты выполняются последовательной корректировкой номиналов резисторов и конденсаторов, с целью обеспечения требуемого значения частоты f нср и соответствие номиналов резисторов и конденсаторов серийно выпускаемому ряду.

Если в схеме а ) поменять местами резисторы и конденсаторы, то в результате получим ФВЧ, схема которого приведена на рис. 2 (б ).

Если последовательно соединить ФНЧ и ФВЧ с соответствующими АЧХ, то в результате получают ПФ.

На рис. рис. 2 (в ) представлена схема РФ, собранного на основе Т- моста, образуемого резисторами и конденсаторами, как это указано на схеме. При этом выход повторителя выполненного на ОУ имеет обратную связь, подключённую согласно рисунка в точку, расположенную между конденсатором С 1 и резистором R 2 . Благодаря такому включению, добротность Т -моста существенно увеличивается, что приводит к сужению полосу частот в окрестности частоты подавления РФ f 0 = 1/(2 pR 1 C 2).

Практический расчет фильтров верхних и нижних частот (RC и LC фильтров)

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня, на сайте , на очередном занятии , мы с вами рассмотрим порядок расчета фильтров верхних и нижних частот .
Из этой статьи вы узнаете, что фильтровать можно не только “базар”, но и многое другое. А изучив статью, научитесь самостоятельно проводить необходимые расчеты, которые вам помогут при конструировании или наладке различной аппаратуры (в статье много формул, но это не страшно, на самом деле все очень просто).

В первую очередь определимся, что понятия “верхние” и “нижние” частоты относятся к звукотехнике, а понятия “высокие” и “низкие” частоты – относятся к радиотехнике.

Фильтры верхних частот (далее ФВЧ ) и фильтры нижних частот (далее ФНЧ ) применяются во многих электрических схемах и служат для разных целей. Одним из ярких примеров их применения – цветомузыкальные устройства. К примеру, если вы наберете в поисковике “простая цветомузыка”, то заметите, насколько часто в результатах поиска показывается простейшая цветомузыка на одном транзисторе. Естественно, что такую конструкцию очень трудно назвать цветомузыкой. Зная что такое фильтры верхних и нижних частот и как они рассчитываются, вы сами, самостоятельно, можете переделать такую схему в более полноценное цветомузыкальное устройство. Простейший случай: вы берете две таких одинаковых схемы, но перед каждой ставите фильтр. Перед одним транзистором ФНЧ, а перед вторым – ФВЧ и у вас уже получается двухканальная цветомузыка. А если покумекать, то можно взять еще один транзистор и применив два фильтра (ФНЧ и ФВЧ или один средней частоты) получить третий канал – среднечастотный.

Прежде чем продолжить разговор о фильтрах коснемся очень важной их характеристики – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ). Что это за показатель.

АЧХ фильтра показывает как изменяется уровень амплитуду сигнала проходящего через этот фильтр в зависимости от частоты сигнала .
Т.е., на одной частоте входящего на фильтр сигнала уровень амплитуды такой-же как и на выходе, а для другой частоты, фильтр, оказывая сопротивление сигналу, ослабляет амплитуду входящего сигнала.

Тут же появляется еще одно определение: частота среза .

Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала до значения равного 0,7 от входного.
Например, если при частоте входного сигнала 1 кГц амплитудой 1 вольт на выходе фильтра амплитуда входного сигнала уменьшается до 0,7 вольта, то частота 1 кГц является частотой среза данного фильтра.

И последнее определение – крутизна частотной характеристики фильтра .

Фильтры высоких и низких частот – это обыкновенные электрические цепи, состоящие из одного или нескольких элементов, обладающих нелинейной АЧХ, т.е. имеющих разное сопротивление на разных частотах.

Подытоживая вышесказанное можно сделать вывод, что по отношению к звуковому сигналу фильтры являются обыкновенными сопротивлениями, с тем лишь отличием, что их сопротивление меняется в зависимости от частоты звукового сигнала. Такое сопротивление называется реактивным и обозначается как Х.

Частотные фильтры изготавливают из элементов, обладающих реактивным сопротивлением – конденсаторов и катушек индуктивности . Рассчитать реактивное сопротивление конденсатора можно по нижеприведенной формуле:

Xc=1/2пFС где:
Хс – реактивное сопротивление конденсатора;
п – оно и в Африке “пи”;
F – частота;
С – емкость конденсатора.
То есть, зная емкость конденсатора и частоту сигнала, всегда можно определить какое сопротивление оказывает конденсатор для конкретной частоты.

А реактивное сопротивление катушки индуктивности вот этой формулой:

X L =2пFL где:
X L – реактивное сопротивление катушки индуктивности;
п – оно и в России “пи”;
F – частота сигнала;
L – индуктивность катушки

Частотные фильтры бывают нескольких типов:
– одноэлементные ;
– Г- образные ;
– Т – образные ;
– П – образные ;
– многозвенные .

В этой статье мы с вами не будем глубоко опускаться в теорию, а рассмотрим только поверхностные вопросы, и только фильтры состоящие из сопротивлений и конденсаторов (фильтры с катушками индуктивности трогать не будем).

Одноэлементный фильтр

- фильтр состоящий из одного элемента : или конденсатора (для выделения верхних частот) , или катушки индуктивности (для выделения нижних частот) .

Г – образный фильтр

Г-образный фильтр – это обыкновенный делитель напряжения с нелинейной АЧХ и его можно представить в виде двух сопротивлений:

С помощью делителя напряжения мы можем понизить входное напряжения до необходимого нам уровня.
Формулы для расчета параметров делителя напряжения:

Uвх=Uвых*(R1+R2)/R2
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)
Rобщ=R1+R2
R1=Uвх*R2/Uвых – R2
R2=Uвых*Rобщ/Uвх

К примеру, нам дано:
Rобщ=10 кОм , Uвх=10 В , на выходе делителя надо получить Uвых=7 В
Порядок расчета:
1. Определяем R2= 7*10000/10= 7000= 7 кОм
2. Определяем R1= 10*7000/7-7000= 3000= 3 кОм, или R1=Rобщ-R2=10-7= 3 кОм
3. Проверяем Uвых=10*7000/(3000+7000)= 7 В
Что нам и требовалось.
Знание этих формул необходимо не только для построения делителя напряжения с нужным выходным напряжением, но и для расчета фильтров нижних и верхних частот, в чем вы убедитесь ниже.

ВАЖНО!
Так как сопротивление нагрузки, подключаемой к выходу делителя, влияет на выходное напряжение, то значение R2 должно быть в 100 раз меньше входного сопротивления нагрузки. Если не нужна высокая точность, то это значение можно снизить до 10 раз.
Это правило также справедливо и при расчетах фильтров.

Чтобы из делителя напряжения на двух резисторах получить фильтр применяют конденсатор .
Как вы уже знаете, конденсатор обладает реактивным сопротивлением . При этом его реактивное сопротивление на высоких частотах минимально, а на низких частотах – максимально.

При замене сопротивления R1 на конденсатор (при этом на высоких частотах ток через него проходит беспрепятственно, а на низких ток через него не проходит) мы получим фильтр верхних частот.
А при замене конденсатором сопротивления R2 (при этом, обладая малым реактивным сопротивлением на высоких частотах, конденсатор шунтирует токи высокой частоты на землю, а на низких частотах его сопротивление велико и ток через него не проходит)- фильтр нижних частот.

Как я уже сказал, уважаемые радиолюбители, мы не будем глубоко нырять в дебри электротехники, иначе мы заблудимся и забудем о чем шла речь. Поэтому сейчас мы абстрагируемся от сложных взаимосвязей мира электротехники и будем рассматривать эту тему как частный случай, не привязанный ни к чему.
Но продолжим. Не так все плохо. Знание хотя бы элементарных вещей очень большое подспорье в радиолюбительской практике. Ну не рассчитаем мы точно фильтр, а рассчитаем с ошибкой. Ну и ничего страшного, в ходе настройки прибора мы подберем и уточним нужные номиналы радиодеталей.

Порядок расчета Г-образного фильтра верхней частоты

В приведенных примерах расчет параметров фильтра начинается с того, что нам известно общее сопротивление делителя напряжения, но наверное правильнее, при практическом расчете фильтров, определять сначала сопротивление резистора R2 делителя, значение которого должно быть в 100 раз меньше сопротивления нагрузки к которой фильтр будет подключен. А также следует не забывать что делитель напряжения тоже потребляет ток, так-что в конце, необходимо будет определить и рассеиваемую мощность на резисторах для их правильного выбора.

Пример : Нам надо рассчитать Г-образный фильтр верхней частоты с частотой среза 2 кГц.

Дано : Rобщ= 5 кОм , частота среза фильтра – 2 кГц .
(можно взять конкретные напряжения, но в нашем случае это никакой роли не играет).
Проводим расчет:
R1 Хс = R1 .
R2 :

R1 :

Xc=1/2пFC=R1 —> C=1/2пFR1:
C=1/2пFR1 = 1/2*3,14*2000*1500 =5,3*10 -8 =0,053 мкФ.
C=1,16/R2пF .
6. Проверяем частоту среза Fср
Fср=1/2пR1C= 1/2*3,14*1500*0,000000053 = 2003 Гц.
Таким образом мы определили, что для построения фильтра высокой частоты с заданными параметрами (Rобщ= 5 кОм, Fср= 2000 Гц) R2= 3,5 кОм и конденсатор емкостью С= 0,053 мкФ.
? Для справки:
? 1 мкФ = 10 -6 Ф = 0,000 001 Ф
? 0,1 мкФ = 10 -7 Ф = 0,000 000 1 Ф
? 0,01 мкФ = 10 -8 Ф = 0,000 000 01 Ф
и так далее…

Порядок расчета Г-образного фильтра нижней частоты

Пример : Нам надо рассчитать Г-образный фильтр нижней частоты с частотой среза 2 кГц.

Дано : общее сопротивление делителя напряжения – Rобщ= 5 кОм , частота среза фильтра – 2 кГц .
Входное напряжение принимаем за 1, а выходное за 0,7 (как и в предыдущем случае).
Проводим расчет:
1. Так как мы подключили конденсатор вместо резистор R2 , то реактивное сопротивление конденсатора Хс = R2 .
2. Определяем по формуле делителя напряжения сопротивление R2 :
R2=Uвых*Rобщ/Uвх =0,7*5000/1 = 3500= 3,5 кОм.
3. Определяем сопротивление резистора R1 :
R1=Rобщ-R2= 5 – 3,5= 1,5 кОм.
4. Проверяем значение выходного напряжения на выходе фильтра при рассчитанных сопротивлениях:
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2) =1*3500/(1500+3500) = 0,7.
5. Определяем емкость конденсатора, которую выводим из формулы: Xc=1/2пFC=R2 —> C=1/2пFR2:
C=1/2пFR2 = 1/2*3,14*2000*3500 =2,3*10 -8 =0,023 мкФ.
Емкость конденсатора также можно определить по формуле: C=1/4,66*R2пF .
6. Проверяем частоту среза Fср по формуле, которую также выводим из выше приведенной:
Fср=1/2пR2C= 1/2*3,14*3500*0,000000023 = 1978 Гц.
Таким образом мы определили, что для построения фильтра нижней частоты с заданными параметрами (Rобщ= 5 кОм, Fср= 2000 Гц) необходимо применить сопротивление R1= 1,5 кОм и конденсатор емкостью С= 0,023 мкФ.

Т – образный фильтр

Т- образные фильтры высоких и низких частот , это те же Г- образные фильтры , к которым добавляется ещё один элемент. Таким образом, они рассчитываются так же как делитель напряжения, состоящий из двух элементов с нелинейной АЧХ. А после, к расчётному значению суммируется значение реактивного сопротивления третьего элемента. Другой, менее точный способ расчёта Т-образного фильтра начинается с расчёта Г-образного фильтра, после чего, значение «первого» рассчитанного элемента Г-образного фильтра увеличивается, или уменьшается в два раза – «распределяется» на два элемента Т-образного фильтра. Если это конденсатор, то значение ёмкости конденсаторов в Т-фильтре увеличивается в два раза, а если это резистор или дроссель, то значение сопротивления, или индуктивности катушек уменьшается в два раза:

П – образный фильтр

П-образные фильтры , это те же Г- образные фильтры , к которым добавляется ещё один элемент впереди фильтра. Всё, что было написано для Т-образных фильтров справедливо для П-образных.
Как и в случае с Т-образными фильтрами, для расчёта П-образных используют формулы делителя напряжения, с добавлением дополнительного шунтирующего сопротивления первого элемента фильтра. Другой, менее точный способ расчёта П-образного фильтра начинается с расчёта Г-образного фильтра, после чего, значение «последнего» рассчитанного элемента Г-образного фильтра увеличивается, или уменьшается в два раза – «распределяется» на два элемента П-образного фильтра. В противоположность Т-образному фильтру, если это конденсатор, то значение ёмкости конденсаторов в П-фильтре уменьшается в два раза, а если это резистор или дроссель, то значение сопротивления, или индуктивности катушек увеличивается в два раза.

Как правило, одноэлементные фильтры применяют в акустических системах. Фильтры верхних частот обычно делают Т-образными, а фильтры нижних частот П-образными. Фильтры средних частот, как правило, делают Г-образными, их двух конденсаторов.

Для написания статьи, кроме всего прочего использовались материалы с сайта www.meanders.ru, автором и владельцем которого является Александр Мельник, за что ему большое и бесконечное (меандровское) спасибо.

Предлагаемые схемы предназначены как раз для таких случаев. Большинство из них были разработаны по просьбе трудящихся. Поэтому, кстати, мало рисунков печатных плат - это дело сугубо индивидуальное, зависит от деталей и компоновки в целом. Но платы зависит многое, в том числе и количество граблей, на которые наступит радиолюбитель при повторении, поэтому все дополнения только приветствуются. Я пока проектирую платы только для конструкций личного употребления, на все нет времени...

При разработке ставилось два условия:
- обойтись только однополярным питанием 12 вольт, чтобы не связываться с изготовлением преобразователей и не лезть за повышенным напряжением внутрь усилителя
- схема должна быть предельно простой и не требовать для повторения особой квалификации

Первая схема предназначена для простейших установок. Поэтому ее характеристики далеки от идеала, но возможности вполне достаточны. Большой диапазон перестройки частоты частоты среза позволяет использовать сабвуфер практически с любой акустикой. Если у магнитолы нет линейных выходов - не беда. Схема может работать и с колоночных выходов магнитолы. Для этого нужно только увеличить сопротивление резисторов R1,R2 до 33...100 кОм.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ3102	1	BC546	В блокнот
С1		1 мкФ 10В	1		В блокнот
C2	Конденсатор	100 нФ	1		В блокнот
C3	Конденсатор	68 нФ	1		В блокнот
C4	Конденсатор	33 нФ	1		В блокнот
C5	Электролитический конденсатор	100 мкФ 16В	1		В блокнот
C6	Электролитический конденсатор	100 мкФ 10В	1		В блокнот
VR1	Переменный резистор	100 кОм	1	Двойной	В блокнот
R1-R5	Резистор	10 кОм	5		В блокнот
R6	Резистор	200 кОм	1		В блокнот
R7	Резистор	240 кОм	1

Сделать самому фильтр для сабвуфера

Сделать самому фильтр для сабвуфера не так сложно, как кажется на первый взгляд. Решение изготовить его самостоятельно, приходит не просто.
Рано или поздно, все любители автозвука становятся профессионалами и стараются всеми способами усовершенствовать аудиосистему. Простейший нч фильтр для сабвуфера и его изготовление, как раз и станет одним из решений по модернизации.

Предназначение

За границами «родной» полосы (эффективно воспроизводимой), звуковое давления, идущее из динамика, заметно снижается и возрастает одновременно с этим уровень искажений. В таком случае говорить о каком-то качестве звука просто глупо и следовательно, чтобы решить проблему, приходится использовать в аудиосистеме несколько динамиков(см.).
Такова реалия: это происходит и в домашней акустике, и в автомобильной. Это не новость.

Типичные схемы расположения динамиков в авто и роль фильтров

Касательно автомобильной акустики хотелось бы выделить две типичные схемы построения системы звука, с которыми знакомы, наверное, все, кто много мало знаком с автозвуком.
Речь идет о следующих схемах:

Наиболее популярная схема подразумевает три динамика. Это басовик (нацеленный исключительно на низы), динамик средних и низких частот (мидбасс) и отвечающий за воспроизведение ВЧ, твитер.

Примечание. Такая схема используется в большинстве своем любителями и в любом автомобиле, где грамотно задействована акустическая схема, ее можно встретить.

Следующая схема – удел больше профи и участников соревнований по автозвуку. Здесь за каждый из частотных диапазонов отвечает отдельный динамик.

Примечание. Несмотря на существенные отличия, обе схемы подчиняются единому правилу: каждый динамик в ответе за воспроизведение своей полосы частот и другие он не затрагивает.

Именно для того, чтобы не нарушать это требование, предназначены электрические фильтры, в роль которых входит выделение конкретных «родных» частот и подавление «чужих».

Типы фильтров

Режекторный фильтр – полная противоположность полосовому. Здесь та полоса, которая ПФ пропускается без изменений, подавляется, а полосы вне этого интервала усиливаются;
ФИНЧ или фильтр подавления инфранизких частот стоит особняком. Принцип его действия основывается на подавлении высоких частот с низким показателем среза (10-30Гц). Предназначение этого фильтра – непосредственная защита басовика.

Примечание. Сочетание нескольких фильтров называется в акустике кроссовером.

Параметры

Кроме типов фильтров, принято разделять и их параметры.
К примеру такой параметр, как порядок, свидетельствует о количестве катушек и конденсаторов (реактивных элементов):

1-ый порядок содержит только один элемент;
2-ой порядок два элемента и т.д.

Другой, не менее важный показатель – крутизна спада АЧХ, показывающая, насколько резко фильтр подавляет «чужие» сигналы.

Для сабвуфера

В принципе, любой фильтр, в том числе и этот, представляет собой сочетание нескольких элементов. Обладают компоненты эти свойством избирательно пропускать сигналы определенных частот.
Принято разделять три популярные схемы этого разделителя для басовика.
Они представлены ниже:

Первая схема подразумевает самый простой разделитель (изготовить который своими руками, не составит никакой сложности). Он выполнен в виде сумматора и стоит на одном транзисторе.
Конечно, серьезного качества звука с таким простейшим фильтром не добиться, но из-за своей простоты, он прекрасно подходит любителям и начинающим радиоманам;

Две другие схемы намного сложны, чем первая. Построенные по эти схемам элементы, размещаются между местом выхода сигнала и входом усилителя басовика.

Каким бы ни был разделитель, простейшим или сложным, он должен иметь следующие технические характеристики.

Простой фильтр для 2 полосного усилителя

Этот разделитель не нуждается в особенной настройке и собрать его проще простого. Выполнен он на доступных ОУ.

Примечание. У этой схемы фильтра есть одно небольшое преимущество перед остальными. Заключается оно в том, что при перегрузке НЧ канала, искажения его неплохо маскируются СЧ/ВЧ звеном и следовательно, отрицательная нагрузка на слух заметно снижается.

Приступим:

Подаем входной сигнал на вход операционного усилителя МС1 (выполняет он функцию активного фильтра НЧ);
Подаем сигнал также на вход усилителя МС2 (в данном случае, речь одет уже о дифференциальном усилителе);
Подаем сигнал теперь с выхода ФНЧ МС1 на вход МС2.

Примечание. Таким образом, в МС2 из спектра сигнала (входного) вычитывается НЧ часть, а на выходе – ВЧ часть сигнала появляется.

Обеспечиваем заданную частоту среза ФНЧ, которая и станет частотой разделения.

Процесс изготовления фильтра своими руками потребует ознакомления с тематическим видео обзором. Кроме того, будет полезно изучить подробные фото – материалы, схемы, другие инструкции и многое другое.
Цена самостоятельного изготовления и установки фильтра минимальна, ведь никаких расходов делать практически не нужно.

Активные RC фильтры применяются на частотах ниже 100 кГц. Применение положительной обратной связи позволяет увеличивать добротность полюса фильтра. При этом полюс фильтра можно реализовать на RC элементах, которые значительно дешевле и в данном диапазоне частот меньше по габаритам индуктивностей. Кроме того, величина емкости конденсатора, входящего в состав активного фильтра может быть уменьшена, так как в ряде случаев усилительный элемент позволяет увеличивать ее значение. Применение конденсаторов с малой емкостью позволяет выбирать их типы, обладающие малыми потерями и высокой стабильностью параметров.

При проектировании активных фильтров фильтр заданного порядка разбивается на звенья первого и второго порядка. Результирующая АЧХ получится перемножением характеристик всех звеньев. Применение активных элементов (транзисторов, операционных усилителей) позволяет исключить влияние звеньев друг на друга и проектировать их независимо. Это обстоятельство значительно упрощает и удешевляет проектирование и настройку активных фильтров.

Активные фильтры НЧ первого порядка

На рисунке 2 приведена схема активного RC фильтра нижних частот первого порядка на операционном усилителе. Данная схема позволяет реализовать полюс коэффициента передачи на нулевой частоте, величинами сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора C1 можно задать его частоту среза. Именно значения емкости и сопротивления определят полосу пропускания данной схемы активного фильтра.

Рисунок 2. Схема активного RC фильтра нижних частот первого порядка

В схеме, приведенной на рисунке 2, коэффициент усиления определяется отношением резисторов R2 и R1:

(1),

а величина емкости конденсатора C1 увеличивается в коэффициент усиления плюс единица раз за счет эффекта Миллера.

(2),

Следует отметить, что подобный способ увеличения значения емкости приводит к уменьшению динамического диапазона схемы в целом. Поэтому к данному способу увеличения емкости конденсатора прибегают в крайних случаях. Обычно обходятся интегрирующей RC-цепочкой, в которой уменьшение частоты среза достигается увеличением сопротивления резистора при постоянном значении емкости конденсатора. Для того, чтобы устранить влияние цепей нагрузки, на выходе RC-цепочки обычно ставится буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления по напряжению.

Рисунок 3. Схема RC фильтра нижних частот первого порядка (RC-цепочка)

Тем не менее, при достаточно низкой частоте среза фильтра низких частот может потребоваться большое значение емкости конденсатора. Электролитические конденсаторы, обладающие значительной емкостью, не подходят для создания фильтров из-за большого разброса параметров и низкой стабильности. Конденсаторы, выполненные на основе керамики с большим значением электрической постоянной ε , тоже не отличаются стабильностью значения емкости. Поэтому применяются высокостабильные конденсаторы малой емкости, и их значение увеличивается в схеме активного фильтра, приведенной на рисунке 2.

Активные фильтры НЧ второго порядка

Еще больше распространены схемы активных фильтров второго порядка, позволяющие реализовать большую крутизну спада АЧХ по сравнению со схемой первого порядка. Кроме того, эти звенья позволяют настраивать частоту полюса на заданное значение, полученное при аппроксимации амплитудно-частотной характеристики. Наибольшее распространение получила схема Саллена-Ки, приведенная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема активного RC фильтра нижних частот второго порядка

Амплитудно-частотная характеристика этой схемы подобна АЧХ звена второго порядка пассивного LC фильтра. Ее вид приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Примерный вид амплитудно-частотной характеристики звена второго порядка активного RC фильтра нижних частот

Частота резонанса полюса при этом может быть определена из формулы:

(3),

а его добротность:

(4),

Частоты нулей в идеальном случае равны бесконечности. В реальной схеме зависят от конструкции печатной платы и параметров использованных резисторов и конденсаторов.

Схема Саллена-Ки позволяет максимально упростить выбор элементов схемы. Обычно конденсаторы C1 и C2 выбирают одинаковой емкости. Резисторы R1 и R2 выбирают одинакового сопротивления. Сначала задаются значением емкостей C1 и C2. Как уже обсуждалось выше, их емкости стараются выбрать минимальными. Именно такие конденсаторы обладают максимально стабильными характеристиками. Затем определяют значение R1 и R2:

(5),

Резисторы R3 и R4 в схеме Саллена-Ки определяют коэффициент усиления по напряжению точно так же как и в обычной схеме инвертирующего усилителя. В схеме активного фильтра именно эти элементы будут определять добротность полюса.

(6),

В схеме активного RC фильтра усилитель охвачен как отрицательной, так и положительной обратной связью. Глубина положительной обратной связи определяется соотношением резисторов R1R2 или конденсаторов C1C2. Если добротность полюса задавать за счет этого соотношения (отказаться от равенства сопротивлений или конденсаторов), то операционный усилитель можно охватить 100% отрицательной обратной связью и обеспечить единичный коэффициент усиления активного элемента. Это позволит упростить схему звена второго порядка. Упрощенная схема активного RC фильтра второго порядка показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Упрощенная схема Саллена-Ки

К сожалению при единичном коэффициенте усиления можно задаваться только одинаковыми значениями сопротивлений R1 и R2, а необходимую добротность получать соотношением емкостей. Поэтому расчет начинается с задания номинального значения резисторов R1 = R2 = R. Тогда емкости можно рассчитать следующим образом:

(7),

(8),

Уже много лет все привыкли в качестве активного элемента использовать операционный усилитель. Однако в ряде случаев может оказаться, что схема на транзисторе будет или занимать меньшую площадь, или окажется более широкополосной. На рисунке 7 приведена схема активного ФНЧ, выполненного на биполярном транзисторе.

Рисунок 7. Схема активного RC фильтра нижних частот на транзисторе

Расчет данной схемы (элементов R1, R2, C1, C2) не отличается от расчета, приведенной на рисунке 6. Расчет резисторов R3, R4, R5 не отличается от расчета обычного каскада эмиттерной стабилизации.

Историческая справка

Первыми частотными фильтрами были пассивные LC фильтры. Затем уже в 30-х годах XX века было замечено, что обратная связь в усилительных каскадах способна увеличивать добротность LC контуров радиоусилителей. Одна из наиболее распространенных схем увеличения добротности параллельного LC контура приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема увеличения добротности параллельного колебательного контура

Эта особенность в LC схемах большого распространения не получила, так как LC схемы позволяют конструктивными методами обеспечить добротноть, необходимую для реализации большинства схем фильтров, работающих на высоких частотах. В то же самое время схемы с положительной обратной связью, использующиеся для увеличения добротности контуров, обладают способностью к самовозбуждению и обычно ограничивают динамический диапазон выходного сигнала из-за влияния шумов усилительного каскада.

Совершенно другая ситуация сложилась в области низких частот. Это в основном частоты звукового диапазона (от 20 Гц до 20 кГц). В этом диапазоне частот габариты индуктивностей и конденсаторов становятся недопустимо большими. Кроме того, потери этих радиотехнических элементов тоже возрастают, что в большинстве случаев не позволяет получить добротность полюсов фильтра, необходимую для реализации заданной . Все это привело к необходимости применения усилительных каскадов.

Дата последнего обновления файла 18.06.2018

Литература:

Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. — 12-е издание. М.: Додэка XXI, 2015. - 1784