The filtr pasmowy umożliwia przesyłanie sygnałów pomiędzy dwiema określonymi częstotliwościami, nawet jeśli oddziela te sygnały na innych częstotliwościach. Tego typu filtry pasmowe są dostępne w różnych typach; niektóre konstrukcje filtrów pasmowo-przepustowych są wykonane z zewnętrznego zasilania i komponentów aktywnych, np.; tranzystory i układy scalone, zwane aktywnym BPF. Podobnie, niektóre filtry wykorzystują dowolne źródło zasilania i elementy pasywne, takie jak cewki indukcyjne i kondensatory, zwane pasywnym BPF. Filtry te mają zastosowanie w bezprzewodowych nadajnikach i odbiornikach.
BPF w nadajniku służy do ograniczania szerokości pasma sygnału wyjściowego do najmniejszego wymaganego poziomu i przesyłania danych z idealną szybkością i formą. Podobnie, ten filtr w odbiorniku umożliwia dekodowanie sygnałów na preferowanym poziomie częstotliwości, jednocześnie unikając sygnałów na niepotrzebnych częstotliwościach. Stosunek sygnał/szum odbiornika jest optymalizowany poprzez filtr pasmowo-przepustowy. W tym artykule znajdują się krótkie informacje na temat aktywny filtr pasmowy .
Co to jest aktywny filtr pasmowy?
Typ filtra pasmowego, który wykorzystuje aktywne komponenty, takie jak wzmacniacz operacyjny wraz z rezystorami i kondensatorami tworzącymi filtr jest znany jako aktywny filtr pasmowoprzepustowy. Te filtry pasmowo-przepustowe oprócz filtrowania wzmacniają sygnał wejściowy, chociaż wymagają zewnętrznego źródła zasilania.
Ten filtr pasmowo-przepustowy został zaprojektowany poprzez kaskadowe połączenie HPF, wzmacniacza i LPF, jak pokazano na poniższym rysunku. Obwód wzmacniacza pomiędzy HPF i LPF zapewnia izolację i zapewnia całkowite wzmocnienie napięcia. Wartości częstotliwości odcięcia obu filtrów powinny być utrzymane przy jak najmniejszych odchyleniach. Jeśli ta różnica jest wyjątkowo mała, istnieje szansa na interakcję między etapami dolnoprzepustowymi i górnoprzepustowymi. Dlatego wymagany jest obwód wzmacniający. aby uzyskać właściwy poziom częstotliwości odcięcia.
Zasada działania aktywnego filtra pasmowo-przepustowego
Aktywny filtr środkowoprzepustowy działa poprzez tłumienie częstotliwości powyżej lub poniżej zakresu częstotliwości (tj. pasma przepustowego lub szerokości pasma filtra). Każdy sygnał o częstotliwości w tym zakresie środkowoprzepustowym przechodzi po prostu przez filtr. Każda częstotliwość znajdująca się poza pasmem pasmowym jest zmniejszana lub tłumiona.
Konstrukcja aktywnego filtra pasmowo-przepustowego
Poniżej pokazano obwód aktywnego filtra pasmowo-przepustowego. Obwód ten można zaprojektować poprzez kaskadowanie pojedynczych pasywnych filtrów dolnoprzepustowych i górnoprzepustowych. Daje filtr typu o niskim „współczynniku jakości”, który zawiera szerokie pasmo przepustowe. Podstawowym stopniem aktywnego filtra pasmowoprzepustowego jest stopień górnoprzepustowy, który wykorzystuje kondensator do blokowania wszelkich polaryzacji prądu stałego z głównego źródła.
Zaletą tej konstrukcji obwodu jest generowanie dość płaskiej, asymetrycznej odpowiedzi częstotliwościowej w paśmie przepustowym w jednej połowie, co oznacza reakcję dolnoprzepustową, podczas gdy pozostała połowa oznacza reakcję górnoprzepustową.
Wyższy punkt narożny „ƒH” i dolny punkt odcięcia częstotliwości narożnej „ƒL” są obliczane w taki sam sposób jak poprzednio w normalnych obwodach LPF i HPF pierwszego rzędu.
Niezbędna jest rozsądna separacja pomiędzy dwoma punktami odcięcia, aby uniknąć jakiejkolwiek interakcji pomiędzy stopniami LPF i HPF. Wzmacniacz pomaga w zapewnieniu izolacji pomiędzy dwoma stopniami filtra w celu opisania całkowitego wzmocnienia napięciowego obwodu filtra. Dlatego szerokość pasma filtra to rozbieżność pomiędzy wyższymi i niższymi punktami -3dB. Znormalizowana charakterystyka częstotliwościowa i przesunięcie fazowe aktywnego BPF będą następujące.
Pasmo przenoszenia
Gdy powyższy obwód filtra dostrojony pasywnie działa jako BPF, wówczas szerokość pasma może być dość szeroka. Może to być kłopotliwe, jeśli chcemy oddzielić częstotliwości małym pasmem. Aktywny filtr pasmowy można również zaprojektować z odwracającym wzmacniaczem operacyjnym.
Zatem reorganizując położenie rezystorów i kondensatorów w filtrze, możemy wygenerować znacznie lepszy obwód filtra. Dolny punkt odcięcia -3dB jest określony przez „ƒC1” dla aktywnego BPF, podczas gdy wyższy punkt odcięcia -3dB jest określony przez „ƒC2”.
Powyższy filtr ma dwie częstotliwości środkowe HPF i LPF. The filtr górnoprzepustowy częstotliwość środkowa powinna być niższa w porównaniu do częstotliwości środkowej LPF.
Częstotliwość środkowa BPF jest średnią geometryczną górnych i dolnych częstotliwości odcięcia, np.; fr2 = fH x fL.
Wzmocnienie aktywnego BPF wynosi 20 log (Vout/Vin) dB/Dekadę.
Odpowiedź amplitudowa jest powiązana z odpowiedziami LPF i HPF. Krzywa odpowiedzi zależy głównie od kolejności filtra kaskadowego.
Czynnik Q
Całkowita szerokość rzeczywistego pasma przepustowego pomiędzy górnym i dolnym punktem narożnym -3dB aktywnego filtra środkowoprzepustowego decyduje o współczynniku Q obwodu. Wartość współczynnika Q jest mniejsza niż szerokość pasma filtra. W rezultacie współczynnik Q jest wyższy, a filtr jest węższy.
Czasami współczynnik Q aktywnego filtru środkowoprzepustowego jest oznaczony greckim symbolem „α” i nazywany jest częstotliwością szczytową alfa.
α = 1/Q
Ponieważ „Q” aktywnego BPF odnosi się do „ostrości” odpowiedzi filtra wokół jego „ƒr” (środkowa częstotliwość rezonansowa), może być również znany jako współczynnik tłumienia (lub) współczynnik tłumienia, ponieważ filtr ma większe tłumienie, wówczas filtr ma bardziej płaską reakcję. Filtr ma mniejsze tłumienie, reakcja filtra jest ostrzejsza.
Współczynnik tłumienia jest oznaczony greckim symbolem „ξ”
ξ = a/2
Współczynnikiem jakości aktywnego filtra pasmowoprzepustowego jest stosunek ƒr (częstotliwości rezonansowej) do BW (szerokości pasma) pomiędzy wyższą i niższą częstotliwością -3 dB.
Typy aktywnych filtrów pasmowo-przepustowych
Istnieją dwa typy aktywnych filtrów pasmowoprzepustowych; filtr szerokopasmowy i filtr wąskopasmowy, które omówiono poniżej.
Szerokopasmowy filtr przepustowy
Jeżeli wartość współczynnika jakości (Q) jest niższa niż dziesięć, pasmo przepustowe jest szerokie i wtedy uzyskujemy większą przepustowość. Dlatego ten BPF jest znany jako filtr szerokopasmowy. W filtrze szerokopasmowym górna częstotliwość odcięcia powinna być większa w porównaniu z dolną częstotliwością odcięcia.
Najpierw sygnał przechodzi przez HPF, sygnał wyjściowy tego filtru będzie dążył do nieskończoności, która jest podawana na końcu do LPF. Ten LPF będzie dolnoprzepustowy dla sygnału o wyższej częstotliwości.
Ilekroć HPF jest kaskadowany przez LPF, można uzyskać prosty BPF. Aby zrozumieć ten filtr, kolejność obwodów LPF i HPF powinna być podobna.
Kaskadowanie jednego LPF i HPF pierwszego rzędu zapewnia BPF drugiego rzędu. Kaskadując dwa filtry LPF pierwszego rzędu z dwoma filtrami HPF, tworzy się BPF czwartego rzędu.
Z powodu tego kaskadowania obwód daje wartość współczynnika niskiej jakości. Kondensator w HPF pierwszego rzędu blokuje wszelkie polaryzacje prądu stałego z sygnału i/p.
W obu pasmach końcowych wzmocnienie wynosi ± 20 dB na dekadę w przypadku filtra drugiego rzędu. LPF i HPF muszą być tylko w pierwszym rzędzie.
Podobnie, gdy dwa filtry znajdują się w drugim rzędzie, spadek wzmocnienia w obu pasmach zatrzymujących wynosi w przybliżeniu ± 40 dB/dekadę.
Wyrażenie:
Wyrażenie na wzmocnienie napięcia filtra środkowoprzepustowego podaje się jako:
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
Osiąga się to poprzez indywidualne wzmocnienia zarówno LPF, jak i HPF, więc oba wzmocnienia filtra są podane jako;
Wzmocnienie napięcia dla HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
Wzmocnienie napięcia dla LPF
Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amax = Amax1 * Amax2
Gdzie „Amax1” oznacza wzmocnienie stopnia HPF, a „Amax2; jest wzmocnieniem stopnia LPF.
Poniżej pokazano odpowiedź filtra szerokopasmowego.
Wąskopasmowy filtr przepustowy
Jeśli wartość współczynnika jakości jest większa niż dziesięć, pasmo przepustowe będzie wąskie, a przepustowość pasma przepustowego będzie również mniejsza. Dlatego ten filtr jest znany jako filtr wąskopasmowy.
Ten filtr wykorzystuje tylko jeden aktywny komponent, taki jak wzmacniacz operacyjny, zamiast dwóch. Wzmacniacz operacyjny zastosowany w tym obwodzie ma konfigurację odwracającą. Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego w tym filtrze jest maksymalne przy częstotliwości środkowej „fc”.
Poniżej pokazano obwód filtra wąskopasmowego. Wejście jest podawane do odwracającego zacisku wejściowego wzmacniacza operacyjnego, wówczas wzmacniacz operacyjny jest nazywany konfiguracją odwracającą. Ten wąski obwód BPF zapewnia wąską odpowiedź BPF.
Wzmocnienie napięcia tego obwodu filtra wynosi AV = – R2 / R1
Częstotliwości odcięcia tego obwodu filtra to;
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
Zalety i wady
The zalety aktywnego filtra pasmowo-przepustowego uwzględnij poniższe.
- Filtr ten pomaga w wysyłaniu lub transmitowaniu sygnału o preferowanym zakresie częstotliwości, pomagając w ten sposób w oszczędzaniu energii.
- Ten filtr pasmowy pomaga w filtrowaniu sygnałów pomiędzy dwoma zakresami częstotliwości.
Wady aktywnych filtrów pasmowo-przepustowych są następujące.
- Aktywny filtr pasmowy przepuszcza tylko preferowany zakres częstotliwości.
- Mogą być zbyt restrykcyjne, szczególnie gdy są wykorzystywane w wąskiej przepustowości. Powoduje to utratę znacznej zawartości częstotliwości, przez co dźwięk wydaje się pusty lub cienki.
- Te filtry są drogie.
- Filtry te mają złożony system sterowania.
- Mają ograniczony zakres częstotliwości.
Aplikacje
Zastosowania aktywnych filtrów pasmowoprzepustowych obejmują:
- Aktywny filtr pasmowy jest używany w wielu zastosowaniach optycznych, takich jak; łączność satelitarna, telekomunikacja i transmisja danych w modulacji światła.
- Filtry te są stosowane w sprzęcie audio do izolowania częstotliwości znajdujących się w słyszalnym zakresie od 20 Hz do 20 kHz.
- Aktywny BPF jest stosowany w systemach komunikacji bezprzewodowej do filtrowania niepożądanych sygnałów i szumów w celu zwiększenia doskonałości komunikacji.
- Filtry te są używane do strojenia i blokowania w trybie dużej prędkości laserów pierścieniowych EDF.
- Ten typ BPF służy do wyrównywania widma o/p źródeł superfluorescencyjnych EDF.
- Filtr ten stosowany jest w nadajniku i odbiorniku sygnału w systemie komunikacji bezprzewodowej.
- Są one używane w obecnych systemach audio, takich jak system stereo, systemy głośników rozproszonych, system Dolby Music itp.
- Ten typ filtra służy do kontroli częstotliwości w obwodach korektora audio, LASER, LIDAR & systemy komunikacji SONAR.
- Jest to wykorzystywane w urządzeniach medycznych, takich jak EKG, oraz w neurologii do gromadzenia i analizowania danych.
Gdzie używany jest aktywny filtr pasmowo-przepustowy?
Aktywny filtr pasmowy jest stosowany w telekomunikacji, a także w zakresie częstotliwości audio od 0 kHz do 20 kHz w modemach i przetwarzaniu mowy. Są one powszechnie stosowane w bezprzewodowych nadajnikach i odbiornikach
Jaka jest różnica między aktywnym i pasywnym filtrem pasmowym?
Filtry aktywne działają ze źródłem zasilania, natomiast filtry pasywne nie potrzebują źródła zasilania. Moc filtra pasywnego zmienia się wraz z obciążeniem, podczas gdy filtr aktywny utrzymuje swoją wydajność niezależnie od podłączonego obciążenia.
Jaka jest funkcja przenoszenia filtra pasmowoprzepustowego?
Zachowanie filtra środkowoprzepustowego można opisać matematycznie za pomocą funkcji przenoszenia. Jest to złożona funkcja łącząca sygnały wejściowe i wyjściowe filtra. Zatem T.F jest określone przez H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
Co to jest funkcja przenoszenia filtra?
Funkcja przenoszenia filtra jest transformacją Z jego odpowiedzi impulsowej. Obejmuje całe równania kwadratowe zarówno w liczniku, jak i mianowniku. Zapewnia podstawę do implementacji charakterystyk realizacji dolnoprzepustowej, górnoprzepustowej, jednoczęstotliwościowej i odrzucania pasma.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
Jest to zatem przegląd substancji aktywnych filtr pasmowy, obwód, działający , typy i zastosowania. Aktywne filtry pasmowo-przepustowe są ważnymi elementami obwodów elektronicznych, które selektywnie przepuszczają pewien zakres częstotliwości, tłumiąc inne. Filtry te zapewniają kilka korzyści, takich jak wysoka precyzja i wzmocnienie. Aktywne BPF są powszechnie stosowane w systemy komunikacji a także zastosowania oparte na przetwarzaniu sygnałów wszędzie tam, gdzie wymagana jest stabilność i wysoka precyzja, jak w odbiornikach radiowych. Są one wykorzystywane w różnych zastosowaniach, audio, inżynierii biomedycznej i komunikacji radiowej. Oto pytanie do Ciebie, co to jest pasywny filtr środkowoprzepustowy?
