Электрические фильтры

Фильтры применяют для частотной селекции сигналов. Электрическим фильтром называется устройство (четырехполюсник), которое пропускает без ослабления или с малым ослаблением сигналы в заданном диапазоне частот (в заданной полосе), и не пропускает или пропускает с большим ослаблением сигналы других частот.

Полоса частот, в которой ослабление мало, называется полосой пропускания, (прозрачности) фильтра. Полоса частот, в которой ослабление велико, называется полосой непропускания (задержания) фильтра. Между полосами пропускания и непропускания находится переходная область. Частоты, которые соответствуют границам полос пропускания, называются граничными или частотами среза и обозначаются ω _гр или ω _ср.

По частотным свойствам различают следующие фильтры (рис. 2.4.1.): фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают колебания с частотами от нуля до некоторой верхней частоты ω _ср1, фильтры верхних частот (ФВЧ) - колебания с частотой не ниже некоторой нижней частоты ω _ср2. Полосовые фильтры (ПФ) имеют полосу пропускания от ω _ср1 до ω _ср2, режекторные (РФ), или заградительные (ЗФ), фильтры не пропускают колебания внутри интервала частот ω _{ср1 ,} ω _ср2.

Рис. 2.4.1. Частотные характеристики идеальных (сплошная линия) и реальных (пунктирная линия) фильтров нижних частот (а), верхних (б), полосового (в) и режекторного (г).

Фильтры могут быть созданы только из пассивных LC- или RC –элементов или из RC – элементов в сочетании с активными элементами (операционными усилителями). Поэтому различают пассивные LC- и RC -фильтры и активные RC –фильтры. LC- и RC –цепочки называются звеньями. Каждое звено имеет продольное и поперечное плечо. Сопротивление продольного плеча обозначается Z1, а поперечного - Z2. Если Z1 носит индуктивный характер, то Z2 должно носить емкостной характер и наоборот. Схемы Г-,T- и П -образных звеньев LC –фильтров изображены на рисунке 2.4.2.

Рис. 2.4.2. Схемы Г- (а), Т- (б) и П- (в) образных звеньев фильтров

2.4.1. LC–фильтр нижних частот

LC– фильтр нижних частот (рис. 2.4.3. а) пропускает электрические колебания в полосе частот от 0 до ∞.

Рис. 2.4.3. Схема LC- фильтра нижних частот (а) и его АЧХ (б).

Это объясняется тем, что на низких частотах сопротивление индуктивного элемента XL фильтра мало, а емкостного XC – велико и электрические колебания проходят со входа на выход почти без ослабления. С увеличением частоты сопротивление индуктивного элемента возрастает, а емкостного – снижается и коэффициент передачи фильтра уменьшается (рис. 2.4.3. б).