Полосовые фильтры: проектирование, реализация и практические советы

Как создать полосовой фильтр

Во многих электронных системах должен проходить только определённый диапазон частот. Полосовой фильтр (ПФ) пропускает именно эту полосу, подавляя все более низкие и более высокие частоты. Комбинируя ФНЧ и ФВЧ, получаем единый фильтр, удовлетворяющий этому требованию.

Ниже приведена структурная схема, иллюстрирующая концепцию:

Структурная схема полосового фильтра.

Проектирование полосового фильтра на конденсаторах

При последовательном соединении двух каскадов получается схема, пропускающая частоты, которые не слишком низкие и не слишком высокие. Приведена типичная схема на пассивных компонентах и соответствующая АЧХ.

Ёмкостный полосовой фильтр.

capacitive bandpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 200
c1 2 0 2.5u
c2 2 3 1u
rload 3 0 1k
.ac lin 20 100 500
.plot ac v(3)
.end

АЧХ ёмкостного полосового фильтра имеет пик в узком диапазоне.

Проектирование полосового фильтра на катушках индуктивности

Хотя катушки тоже могут реализовать полосовую характеристику, конденсаторы обычно дают более «чистое» реактивное поведение, предоставляя конструктору преимущества. Приведён пример индуктивной схемы:

Индуктивный полосовой фильтр.

Изменение порядка каскадов ФВЧ и ФНЧ не меняет суть фильтрации; схема по-прежнему подавляет частоты вне желаемой полосы.

Однако, опираясь только на блокирующее действие каждого каскада, сталкиваемся с практическими ограничениями. Даже в пике полосы суммарное ослабление ФНЧ и ФВЧ может снизить амплитуду сигнала. В приведённом SPICE-анализе напряжение на нагрузке никогда не превышает 0,59 В при источнике 1 В. Ослабление усиливается при увеличении крутизны среза или селективности.

Более продвинутые методы позволяют получить плоскую полосу пропускания без потери амплитуды; мы рассмотрим их позже в этой главе.

РЕЗЮМЕ:

• Полосовой фильтр пропускает только частоты в заданном диапазоне, блокируя более низкие и более высокие.
• Можно построить каскадированием ФНЧ и ФВЧ (или наоборот).
• «Ослабление» означает уменьшение амплитуды сигнала; тот же принцип, что и при повороте регулятора громкости.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Active Filters Worksheet