Aktivt filter - Active filter

Et eksempel på høytpass aktivt filter av Sallen – Key topologien . Operasjonsforsterkeren brukes som bufferforsterker.

Et aktivt filter er en type analog krets som implementerer et elektronisk filter som bruker aktive komponenter , vanligvis en forsterker . Forsterkere som inngår i et filterdesign, kan brukes til å forbedre kostnadene, ytelsen og forutsigbarheten til et filter.

En forsterker forhindrer lastimpedansen i det følgende trinnet fra å påvirke filterets egenskaper. Et aktivt filter kan ha komplekse poler og nuller uten å bruke en voluminøs eller kostbar spole. Formen på responsen, Q ( kvalitetsfaktor ) og den innstilte frekvensen kan ofte settes med rimelige variable motstander. I noen aktive filterkretser kan en parameter justeres uten å påvirke de andre.

Typer

Et KROHN-HITE modell 3500 filter fra 1974.

Bruk av aktive elementer har noen begrensninger. Grunnleggende filterdesignligninger forsømmer den endelige båndbredden til forsterkere. Tilgjengelige aktive enheter har begrenset båndbredde, så de er ofte upraktiske ved høye frekvenser. Forsterkere bruker strøm og injiserer støy i et system. Visse krets-topologier kan være upraktiske hvis ingen DC-bane er gitt for forspenningsstrøm til forsterkerelementene. Effekthåndteringsevnen er begrenset av forsterkerstadiene.

Aktive filterkretskonfigurasjoner ( elektronisk filtertopologi ) inkluderer:

• Sallen-Key og VCVS filtre (lav følsomhet for komponenttoleranse)
• Angi variable filtre og biquadratiske eller biquad-filtre
• Dobbel forsterkerbåndpass (DABP)
• Wien hakk
• Flere tilbakemeldingsfiltre
• Fliege (laveste komponenttall for 2 opamp men med god kontrollerbarhet over frekvens og type)
• Akerberg Mossberg (en av topologiene som tilbyr fullstendig og uavhengig kontroll over gevinst, frekvens og type)

Aktive filtre kan implementere de samme overføringsfunksjonene som passive filtre . Vanlige overføringsfunksjoner er:

• Høypassfilter - demping av frekvenser under skjæringspunktene.
• Lavpassfilter - demping av frekvenser over deres avskjæringspunkter.
• Båndpasfilter - demping av frekvenser både over og under de de lar passere.
• Båndstoppfilter (Notch filter) - demping av visse frekvenser mens alle andre får passere.

Kombinasjoner er mulige, for eksempel hakk og high-pass (i et rumlefilter der det meste av den fornærmende rumlen kommer fra en bestemt frekvens). Et annet eksempel er et elliptisk filter .

Design av aktive filtre

For å designe filtre inkluderer spesifikasjonene som må etableres:

• Omfanget av ønskede frekvenser (passbåndet) sammen med formen på frekvensresponsen. Dette indikerer mangfoldet av filter (se ovenfor) og senter- eller hjørnefrekvensene.
• Krav til inngangs- og utgangsimpedans . Disse begrenser tilgjengelige krets topologier; for eksempel gir de fleste, men ikke alle aktive filtertopologier, en bufret (lav impedans) utgang. Husk imidlertid at den interne utgangsimpedansen til operasjonelle forsterkere , hvis den brukes, kan stige markant ved høye frekvenser og redusere dempningen fra det forventede. Vær oppmerksom på at noen høypass-filtertopologier gir inngangen nesten kortslutning til høye frekvenser.
• Dynamisk rekkevidde for de aktive elementene. Forsterkeren skal ikke mette (kjøre inn i strømforsyningsskinnene) ved forventede inngangssignaler, og den skal heller ikke brukes på så lave amplituder at støy dominerer.
• I hvilken grad uønskede signaler skal avvises.
  • Når det gjelder smalbånds båndpassfilter, bestemmer Q -3 dB båndbredde, men også graden av avvisning av frekvenser langt borte fra senterfrekvensen; Hvis disse to kravene er i konflikt, kan det være behov for et forskjøvet tuning båndpassfilter.
  • For hakkfiltre bestemmer graden til uønskede signaler ved hakfrekvensen må avvises komponentenes nøyaktighet, men ikke Q, som styres av ønsket bratthet i hakket, dvs. båndbredden rundt hakket før dempningen blir liten.
  • For høypass og lavpass (så vel som båndpasfilter langt fra senterfrekvensen), kan den nødvendige avvisning bestemme den nødvendige dempningshellingen, og dermed "rekkefølgen" på filteret. Et andreordens helpolefilter gir en endelig skråning på ca. 12 dB per oktav (40 dB / tiår), men skråningen nær hjørnefrekvensen er mye mindre, og noen ganger er det nødvendig å legge et hakk i filteret.
• Den tillatte "krusningen" (variasjon fra en flat respons, i desibel) i passbåndet til høypass- og lavpassfilter, sammen med formen på frekvensresponskurven nær hjørnefrekvensen, bestemmer dempningsforholdet eller dempingsfaktoren ( = 1 / (2Q)). Dette påvirker også faseresponsen, og tidsresponsen på en firkantbølgeinngang . Flere viktige responsformer (dempningsforhold) har kjente navn:
  • Chebyshev filter - topp / krusning i passbåndet før hjørnet; Q> 0,7071 for andre ordens filtre.
  • Butterworth filter - maksimalt flat amplituderespons; Q = 0,7071 for andre ordens filtre
  • Legendre – Papoulis filter - bytter litt flathet i passbåndet, men fremdeles monotont , for et brattere fall
  • Linkwitz – Riley-filter - ønskelige egenskaper for lydovergangsapplikasjoner, raskest oppgangstid uten overskridelse; Q = 0,5 ( kritisk dempet )
  • Paynter eller overgangs-Thompson-Butterworth eller "kompromiss" -filter - raskere fall-off enn Bessel; Q = 0,639 for andre ordens filtre
  • Bessel filter - maksimalt flat gruppeforsinkelse; Q = 0,577 for andre ordens filtre. Det gir god lineær fase.
  • Elliptisk filter eller Cauer-filter - legg til et hakk (eller "null") rett utenfor passbåndet for å gi en mye større helling i dette området enn kombinasjonen av rekkefølge og dempningsforhold uten hakk. Utgangen ligner det ideelle filteret (dvs. god flat respons for både passbånd og stoppbånd).

Sammenligning med passive filtre

Et aktivt filter kan ha forsterkning , og øke effekten som er tilgjengelig i et signal sammenlignet med inngangen. Passive filtre slipper energi fra et signal og kan ikke ha netto effektforsterkning. For noen frekvensområder, for eksempel ved lydfrekvenser og under, kan et aktivt filter realisere en gitt overføringsfunksjon uten å bruke induktorer , som er relativt store og kostbare komponenter sammenlignet med motstander og kondensatorer, og som er dyrere å lage med det nødvendige høy kvalitet og nøyaktige verdier. Denne fordelen er kanskje ikke like viktig for aktive filtre som er helt integrert på en chip, fordi de tilgjengelige kondensatorene har relativt lave verdier og derfor krever motstander med høy verdi som tar opp arealet av den integrerte kretsen. Aktive filtre har god isolasjon mellom trinn, og kan gi høy inngangsimpedans og lav utgangsimpedans; Dette gjør egenskapene deres uavhengige av kilde og lastimpedanser. Flere trinn kan kaskades når det er ønskelig for å forbedre egenskaper. I motsetning til dette, må design av flertrinns passive filtre ta hensyn til hvert trinns frekvensavhengige belastning av foregående trinn. Det er mulig å gjøre aktive filtre avstemmbare over et bredt spekter, sammenlignet med passive filtre. Siden induktorer ikke brukes, kan filtre lages i en veldig kompakt størrelse og ikke produsere eller samhandle med magnetfelt som kan være til stede.

Sammenlignet med aktive filtre krever passive filtre ingen ekstra strømforsyninger. Forsterkningsanordningene til et aktivt filter må gi forutsigbar forsterkning og ytelse over hele frekvensområdet som skal behandles; den forsterknings-båndbreddeproduktet fra forsterkeren vil begrense den maksimale frekvens som kan brukes.

Se også

• Aktivt effektfilter
• Frekvensavhengig negativ motstand

Referanser

Eksterne linker

• Split-Supply Analog Filter Expert
• Introduksjon til aktive filtre
• Aktive artikler relatert til filterdesign
• Veiviser for analogt filter : Designverktøy for aktive filtre