В электротехнике фильтры — это цепи, которые позволяют избирательно пропускать или блокировать определенные частоты. Фильтры первого порядка (низкочастотные или высокочастотные) обычно создаются с помощью простых резисторов и конденсаторов, и этого достаточно для многих приложений. Однако, когда требуется более высокая точность, устойчивость к шумам или более резкое разделение частот, используются фильтры более высокого порядка, такие как фильтры второго или третьего порядка.
Зачем нужны активные фильтры?
Фильтры второго порядка часто требуют индуктивности для создания резонанса, что улучшает качество фильтрации. Однако индуктивности имеют свои недостатки: они крупнее резисторов и конденсаторов, подвержены электромагнитным помехам (ЭМП), могут создавать нежелательные помехи, а также их сложнее интегрировать в микросхемы. Поэтому инженеры стараются избегать использования индуктивностей, заменяя их другими компонентами.
Замена индуктивности с помощью операционного усилителя
С помощью операционного усилителя (ОУ) и грамотно подобранной схемы можно создать аналог индуктивности, используя только резисторы и конденсаторы. Это позволяет разрабатывать так называемые активные фильтры, которые способны выполнять те же функции, что и RLC-фильтры (фильтры с резистором, индуктивностью и конденсатором), но без необходимости в индуктивностях. Один из таких методов — использование резонатора на базе ОУ и RC-цепочки.
Топология Саллена-Ки: активный низкочастотный фильтр второго порядка
Фильтры на основе топологии Саллена-Ки являются одними из самых популярных активных фильтров второго порядка. Рассмотрим низкочастотный фильтр (фильтр низких частот) второго порядка на базе ОУ и RC-цепочки. Эта схема включает в себя:
- Один операционный усилитель
- Два резистора
- Два конденсатора
Эта схема называется активной, так как включает усилительный компонент (ОУ), который позволяет достигать более высокой степени фильтрации, чем простой пассивный фильтр.
Как работает низкочастотный фильтр Саллена-Ки?
В схеме Саллена-Ки есть два пути обратной связи: один направлен на инвертирующий вход ОУ, а другой на неинвертирующий вход. В отличие от стандартных схем с отрицательной обратной связью, в топологии Саллена-Ки присутствует положительная обратная связь, которая позволяет фильтру достигать более высокого коэффициента добротности (Q-фактора). Это улучшает способность фильтра обрабатывать сигналы на частотах, близких к частоте среза.
Положительная обратная связь помогает фильтру компенсировать ограничения, присущие обычным RC-фильтрам второго порядка, у которых коэффициент добротности не превышает 0,5. Благодаря этому топология Саллена-Ки позволяет достичь более высоких значений Q, что улучшает фильтрацию.
Второй порядок и коэффициент добротности
Коэффициент добротности (Q) — это параметр, который показывает, насколько остро фильтр реагирует на частоту среза. Чем выше Q, тем резче фильтр отделяет нужные частоты от ненужных. В топологии Саллена-Ки за счет положительной обратной связи достигается высокий Q, что делает его особенно подходящим для применения в высококачественных фильтрах.
Высокочастотный фильтр Саллена-Ки второго порядка
Фильтр высоких частот (high-pass filter) можно создать, изменив расположение резисторов и конденсаторов в схеме. Если в RC-фильтре мы меняем местами резисторы и конденсаторы, мы получаем CR-фильтр высоких частот. Так, фильтр Саллена-Ки можно адаптировать для фильтрации высоких частот, сохраняя принцип работы и частоту среза.
Преимущества активных фильтров второго порядка
Активные фильтры на базе операционных усилителей, такие как Саллена-Ки, обладают рядом преимуществ по сравнению с пассивными фильтрами:
- Компактность и простота реализации: для создания фильтра второго порядка достаточно одного операционного усилителя, двух резисторов и двух конденсаторов.
- Отсутствие индуктивностей: схема работает только на резисторах и конденсаторах, избегая проблем, связанных с индуктивностями.
- Высокий коэффициент добротности: положительная обратная связь позволяет достигать более высокого Q-фактора, чем в стандартных RC-фильтрах.
- Возможность регулировки усиления: можно увеличить амплитуду сигнала, добавив делитель напряжения в цепь отрицательной обратной связи.
Заключение
Активные фильтры второго порядка, такие как Саллена-Ки, позволяют создавать высокоэффективные фильтры без использования индуктивностей. Благодаря положительной обратной связи они обеспечивают более высокую добротность, что делает их идеальными для приложений, где требуется точная фильтрация.
Обеспечьте себе и своим близким комфорт и безопасность, посетите наш интернет-магазин измерительного оборудования pribor-x.ru! Наши специалисты всегда готовы помочь вам с выбором и ответить на все ваши вопросы.
Свяжитесь с нами по почте sales@pribor-x.ru или по телефону 8-800-777-24-67.