УНИВЕРСАЛЬНЫЙ (МНОГОЦЕЛЕВОЙ) ФИЛЬТР

Показанная на рис. 3.9.9,а схема универсального активного фильтра называется универсальной с единичным усилением, по­тому что ее коэффициент усиления в полосе пропускания равен единице. Эта схема может действовать одновременно как фильтр верхних частот, фильтр нижних частот и полосовой фильтр (все — второго порядка). При этом частотная характеристика полосового фильтра зависит от характеристик фильтров верхних и нижних частот. Если, например, эти два фильтра имеют частотные характеристики типа Баттерворта, то порядок поло­сового фильтра будет равен единице. Поскольку все три характеристики (полосового фильтра и фильтров верхних и нижних частот) формируются при помощи одних и тех же компонентов, характеристики фильтров верхних и нижних частот должны быть одного типа, т. е. оба типа Баттерворта или оба типа Чебышева с неравномерностью 3 дБ. Заметим, что характеристику полосо­вого фильтра нельзя оптимизировать одновременно с характеристиками фильтров верхних и нижних частот.

Рис. 3.9.9. Универсальные активные фильтры.

а — фильтр второго порядка с единичным коэффициентом усиления; б — фильтр с изменяемым коэффициентом усиления. ВЧ — выход фильтра верхних частот, НЧ — выход фильтра нижних частот, ПФ — выход полосового фильтра

Универсальный фильтр имеет высокую стабильность и низкую чувствительность Q и α, а настройка частоты и настройка добротности такого фильтра мало влияют друг на друга. В качестве полосового фильтра универсальный фильтр может иметь устойчивую добротность, достигающую 100. Схема универсального активного фильтра используется во многих серийно выпу­скаемых активных фильтрах.

Универсальный фильтр относительно сложен, так как содержит три операционных усилителя в варианте с единичным коэф­фициентом усиления и четыре операционных усилителя в ва­рианте с независимой настройкой коэффициента усиления и α. Этот последний вариант схемы универсального фильтра показан на рис. 3.9.9,б.

Принцип действия универсального фильтра можно объяснить двумя способами. Первый из них иллюстрируется рис. 3.9.10. Схему универсального фильтра можно рассматривать как по­строенную на интеграторах схему решения дифференциального уравнения второго порядка.

Основной вариант схемы активного фильтра состоит из сум­матора и двух интеграторов. Интеграторы обеспечивают форми­рование частотной характеристики, и их выходные напряжения подаются обратно на сумматор, причем коэффициент усиления в петле обратной связи определяет α. Чтобы лучше понять, как работает этот фильтр, рассмотрим каждую из характеристик отдельно.

Два соединенных последовательно интегратора обеспечивают формирование характеристики фильтра нижних частот второго порядка. Подавая выходное напряжение первого интегратора с настраиваемым коэффициентом передачи в цепи обратной связи обратно на вход сумматора и складывая его со входным напряжением всей схемы, можно осуществлять регулировку ча­стотной характеристики вблизи частоты среза. Выходом соответствующего фильтра нижних частот является выход второго интегратора.

Характеристика фильтра верхних частот формируется по­средством суммирования взятых в противофазе входного сиг­нала и сигнала с выхода фильтра нижних частот. На частотах от нулевой и до f_cp эти два сигнала взаимно уничтожаются, а на частотах выше f_cp выходной сигнал фильтра нижних частот исчезает, что дает возможность входному сигналу беспрепятственно проходить через сумматор на выход фильтра верхних частот.

Сигнал на выходе полосового фильтра можно рассматривать как интеграл от суммы выходных сигналов фильтров пропускания верхних и нижних частот. Ослабление сигнала на выходе фильтра верхних частот уменьшается, когда частота сигнала приближается к f_cp, а интегрирование обеспечивает ослабление на частотах выше f_cp. Так как частота f_cp одинакова для обоих интеграторов, сигнал на выходе может быть отличным от нуля только в случае, когда характеристики фильтров верхних и ниж­них частот перекрываются, как это показано на рис. 3.9.11. Если величина α = 1/Q мала, то Q = 1/α велика, и тем самым обес­печивается острый пик на частотной характеристике.

Рис. 3.9.10. Блок-схема универсального активного фильтра.

ВЧ — выход фильтра верхних частот, НЧ — выход фильтра нижних частот, ПФ — выход полосового фильтра

В схеме универсального фильтра с единичным усилением на рис. 3.9.9, а частота f_cp интеграторов определяет частоту f_cp фильтра, а сопротивления R₅ и R'_о.с задают величину α (или Q) для полосового фильтра. Как правило, в этой схеме R₁ = R₂ и Ci = С2. В схеме универсального фильтра с коэффициентом усиления, большим единицы (рис. 3.9.9,б), величина а задается сопротивлениями R_A и R_B инвертирующего усилителя. Выход­ное напряжение инвертирующего усилителя здесь суммируется непосредственно с U_вх и с выходным сигналом фильтра нижних частот. Коэффициент усиления в полосе пропускания устанавливается с помощью сопротивлений R₄ и R_о.с.

Рис. 3.9.11. Принцип действия полосового фильтра на базе универсального активного фильтра.

ВЧ — частотная характеристика фильтра верхних частот, НЧ — характеристика фильтра нижних частот, ПФ — харак­теристика полосового фильтра

Рис. 3.9.12. Суммирующий усилитель для превраще­ния универсального фильтра в фильтр-пробку.

НЧ и ВЧ — выходы фильтров нижних и верхних частот соответственно в схеме универсального фильтра

Универсальный активный фильтр легко превратить в фильтр-пробку, для чего нужно просто просуммировать имеющие про­тивоположную фазу выходные сигналы фильтров верхних и нижних частот. Эти сигналы взаимно уничтожатся только на тех частотах, где перекрываются характеристики фильтров про­пускания верхних и нижних частот. Если фильтр настроен как полосовой фильтр, то характеристика фильтра-пробки будет противоположна, т. е. вместо полосы пропускания у нее будет полоса подавления, и ей будет очень легко управлять. На рис. 3.9.12 показан сумматор, добавление которого к схеме уни­версального фильтра превращает последний в фильтр-пробку.

БИКВАДРАТНЫЙ ФИЛЬТР

Биквадратный (биквадный) фильтр — это очень стабильный активный фильтр, позволяющий (в случае полосового фильтра) получать значения Q, превышающие 100. Биквадратные фильтры легко соединять последовательно для получения многокаскад­ных фильтров. Одним из свойств биквадратного фильтра яв­ляется неизменность его полосы пропускания при изменении (средней) частоты, так что в настраиваемых биквадратных фильтрах добротность увеличивается с ростом частоты.

Схема биквадратного полосового фильтра показана на рис. 3.9.13. Она состоит из суммирующего интегратора, возбуждающего инвер­тирующий усилитель, который в свою очередь работает на второй интегратор. Если R₁ = R₂, то коэффициент усиления схемы в полосе пропускания равен R_к/R₁. Среднюю частоту можно настраивать с помощью сопротивления R₂. Сопротивление R_к задает добротность схемы.

Рис. 3.9.13. Биквадратный полосовой фильтр.

R_комп = R₂ || R₁ || R_K; R₃ = R₄; если R₁ = R₂, то U_вых = QU_вх; если R₁ = (Q/K_П)R_K, то U_вых = K_ПU_вх

Биквадратный фильтр действует следующим образом. Сум­мирующий интегратор вычитает из входного напряжения вы­ходной сигнал фильтра нижних частот (они сдвинуты по фазе на 180°); на частотах, лежащих ниже переходного участка, эти сигналы взаимно уничтожаются, и выходной сигнал отсут­ствует. Когда частота достигает переходного участка, умень­шающийся выходной сигнал интегратора больше не может ком­пенсировать входной сигнал, поэтому на выходе биквадратного фильтра появляется ненулевой сигнал. На частотах выше f₀ суммарный спад частотной характеристики двух последователь­но соединенных интеграторов обеспечивает ослабление выход­ного сигнала, и таким образом формируется частотная характе­ристика полосового фильтра.