Чудеса активных RС-фильтров

Электрические фильтры являются одними из основных элементов различных радиоэлектронных систем. Это обусловлено тем, что во многих областях науки и техники (радиотехника, акустика, различные отрасли машиностроения, медицина, системы телеметрии и телеуправления) используются процессы, имеющие спектры в диапазоне низких и инфранизких частот.

Во всех этих случаях возникает необходимость выделения сигналов, имеющих определенные частотные свойства с помощью электрических фильтров.

Обычные индуктивно емкостные фильтры в виде резонансных контуров в диапазоне инфранизких частот неприменимы из-за низкой избирательности, больших габаритов и веса, а также подверженности влиянию магнитных полей.

Пассивные RС-фильтры из резисторов и конденсаторов имеют малые габариты и в диапазоне низких частот, но для обеспечения достаточно высокой избирательности требуют большого числа элементов и громоздких схемных структур. Кроме того, они имеют большое затухание сигналов в полосе пропускания.

Значительно большие возможности моделирования систем слуха открываются при использовании так называемых активных RС-фильтров, которые в последнее время во всех серьезных разработках окончательно вытеснили LC-фильтры.

На низких частотах пассивные LC-схемы оказываются неудовлетворительными, так как для достижения добротности Q порядка 100 необходимы катушки индуктивности значительных габаритов. Активные фильтры можно изготовлять в виде электронных схем, которые позволяют реализовать любое требуемое значение добротности фильтра.

Объединение пассивных RС-цепей с электронными устройствами, образующее активные RС-фильтры, обеспечивает высокую избирательность при достаточно малом весе и габаритах. В настоящее время они являются единственным классом электрических фильтров, имеющих высокую избирательность в диапазоне инфранизких частот.

Наибольшее распространение активные RС-фильтры получили в связи с развитием микроминиатюризации, когда совершенно отпала проблема габаритов таких фильтров из-за большого количества входящих в них транзисторов и других деталей.

Активный фильтр - это просто транзистор, соединенный с пассивной RС-цепью. При их проектировании нет необходимости привязывать к заданным импедансам (входным и выходным сопротивлениям) источник и нагрузку, как это приходится делать при пассивных фильтрах, где любые отклонения указанных значений от номинальных влияют на электрические характеристики фильтра.

Другим существенным преимуществом активных фильтров по сравнению с пассивными является то, что ослабление сигнала между входом и выходом фильтра получается весьма незначительным. Поэтому активные RС-фильтры пригодны для использования в очень широком классе схем. Например, их можно использовать в качестве фильтров нижних частот с весьма низкой (порядка 1 Гц) частотой среза и добротностью заведомо выше 100. Активные фильтры можно успешно применять в схемах, которые сочетают функции модуляции, выпрямления и фильтрации, и в других устройствах, где нельзя использовать катушки индуктивности из-за индуктивных наводок. Слуховые системы с активными RС-фильтрами используются для обнаружения шума - штормовых волн на расстоянии более 300 км. Их широко применяют при исследовании биотоков мозга и снятии энцефалограмм. С их помощью решаются задачи распознавания речевых сигналов в моделях органов слуха и т. п.

Рис. 68. Схема активного фильтра

Однако теоретические достоинства активных RС-фильтров - это одно, а использование их в практике - это другое. Изготовление надежных активных RС-фильтров оказалось делом гораздо более сложным, чем на первых порах представлялось разработчикам.

Прежде всего для таких фильтров необходим специальный тщательный подбор деталей с малым разбросом параметров (особенно конденсаторов и резисторов). Важно также исключить долговременный дрейф транзисторов и пассивных элементов, входящих в состав устройства.

На рис. 68 приведена схема активного полосового фильтра, составленного из активных фильтров НЧ и ВЧ с избирательностью 14-15 дБ на октаву и коэффициентом передачи 1,0-1,3.

В табл. 3 приведены значения элементов фильтров для различных полос пропускания.

Как видно из таблицы, фильтры с широкой полосой пропускания могут определить регистр, в котором находится данный звук. Для анализа мелодии, когда анализатор должен реагировать на появление каждой ноты, необходимо применять фильтры с еще большей добротностью. Полоса их пропускания должна лежать в пределах 1-2 Гц для самых низких частот музыкального диапазона и 200-300 Гц для высоких.

Таблица 3

Активный RC фильтр, схема которого приведена на рис 68 можно успешно использовать при конструировании цветомузыкальных систем. Как показала практика, эта схема в отличие от многих схем, рекомендуемых для фильтрации частот в цветомузыкальных устройствах, является весьма практичной. В ней сравнительно немного транзисторов и деталей, и она обеспечивает хорошую фильтрацию даже при значительном разбросе параметров деталей схемы.