Aktyvusis filtras. Projektavimas

Aktyvieji filtrai

Tai grandinės skirtos praleisti tam tikrą dažnį ir tam tikrą dažnį nuslopinti. Filtrai sudaryti iš pasyviųjų elementų neduoda pakankamai tikslių norimų rezultatų, be to slopina ir dažnį, kuris yra reikalingas. Daug kokybiškiau signalą filtruoja aktyviniai filtrai. Aktyvinis filtras tai filtras turintis bent vieną aktyvinį elementą (elementą, kuriam reikia maitinimo). Tai gali būti tranzistorius, bet dažniausiai naudojamas operacinis stiprintuvas. Aktyviniai filtrai turi daug pranašumų, bet vienas iš pagrindinių yra tai, kad juos patogu naudoti žemuose dažniuose, kuriuose filtro, sudaryto iš pasyvinių elementų, matmenys būtų ypač dideli, reiktų didelių ir brangių kondensatorių.

Filtrus galima suskirstyti į:
• Žemutinių dažnių filtrus. Filtrus praleidžiančius žemus dažnius, o kitus dažnius slopinančius.
• Aukšto dažnio filtrus – filtrus gerai praleidžiančius aukšto dažnio signalą, bet slopinančius vidutinius ir žemus dažnius.
• Juostinius filtrus. Tai filtrai praleidžiantys tik tam tikrą dažnių juostą.
• Užtvarinius. Filtrus nepraleidžiančius tam tikro dažnio.

Aktyvieji filtrai gali būti sudaromi dviem metodais. Pirmuoju atveju pasyvusis RC -filtras jungiamas nuosekliai su OS, atliekančiu buferio vaidmenį. Šio tipo aktyviesiems filtrams būdingas charakteristikų stabilumas. Tačiau, didinant filtro kokybę—jungiant tokius filtrus nuosekliai,—didėja filtro eilė, o svarbiausia — proporcingai jai didėja filtro elementų skaičius. Tai vienas iš pagrindinių pirmojo metodo trūkumų. Sudarant aktyviuosius filtrus antruoju metodu, pasyvieji RC filtrai jungiami į OS teigiamo ar neigiamo grįžtamojo ryšio grandinę. Kai RC filtras yra teigiamo grįžtamojo ryšio grandinėje, OS neigiamo grįžtamojo ryšio grandinėje jungiamas rezistorinis daliklis, nustatantis tam tikrą įtampos stiprinimo koeficiento reikšmę.

Skirtingas nulių ir polių išdėstymas duoda skirtingas dažnines charakteristikas. Geriausiai panaudojamos praktikoje, turi ir savo pavadinimus: Batervorto, Čebyšovo, Beselio…
Filtrų pavyzdžiai:

1 pav. Žemųjų dažnių 4-osios eilės aktyviųjų filtrų amplitudės dažninė charakteristika: 1—kritinio slopinimo, 2—Beselio, 3—Batervorto, 4—Cebyšovo, kurio charakteristikoje yra 3 dB iškilumas

Batervorto filtro amplitudės charakteristikos iki ribinio dažnio turi palyginti ilgą horizontalios dalies atkarpą ir pastovų nuolydį už ribinio dažnio. Pereinamajai charakteristikai būdingi gana greitai
nuslopstantys svyravimai. Kuo aukštesnės eilės filtras, tuo didesnė Svyravimų amplitudė.
Čebyšovo filtro amplitudės charakteristika pralaidumo juostoje yra banguota, o tuoj už ribinio dažnio staigiai krinta žemyn. Pereinamosios charakteristikos svyravimų amplitudė didesnė ir užgęsta jie ne taip sparčiai kaip Batervorto filtro.

Norint gauti gerus filtro parametrus dažnai neužtenka vieno operacinio stiprintuvo (vienos filtro pakopos), tenka jungti kelis filtrus kaskadiškai, taip gaunamos ypač tikslios dažninės charakteristikos. Kaskadiškai jungiant filtrus geriausiai naudoti antro ir pirmo laipsnio filtrus. Jei užduotos charakteristikos reikalauja lyginio laipsnio filtro, tuomet jungiame kakadiškai antro laipsnio filtrus, jei reikia nelyginio laipsnio, jungiame antro laipsnio filtrus ir gale prijungiame vieną pirmo laipsnio filtrą. Kaip filtro eilė nulemia dažninę charakteristiką, gerai matome paveikslėlyje









Aktyviųjų filtrų parametrų ir charakteristikų stabilumas, paklaidos daugiausia priklauso nuo OS kokybės, jo jungimo schemos. Labai didelę reikšmę turi filtrą sudarančių rezistorių ir kondensatorių parametrų stabilumas. Pavyzdžiui, šiuo atžvilgiu daug geresni yra filtrai, kuriuose RC elementai įjungiami ne į teigiamo, o į neigiamo grįžtamojo ryšio grandinę.

Filtrai plačiai naudojami muzikoje (ekvalaizeriai, ŽD, AD filtrą...), Tam tikriems signalams išskirti iš pašalinių aukšto dažnio triukšmų ir t.t.