The filtru trece-bandă permite semnalelor să furnizeze între două frecvențe particulare, chiar dacă separă aceste semnale la alte frecvențe. Aceste tipuri de filtre trece-bandă sunt disponibile în diferite tipuri; o parte din designul filtrului trece-bandă este realizat cu putere externă și componente active cum ar fi; tranzistoare și circuite integrate, care se numesc BPF activ. De asemenea, unele filtre utilizează orice sursă de energie și componente pasive, cum ar fi inductori și condensatori, numite BPF pasive. Aceste filtre sunt aplicabile în transmițătoarele și receptoarele fără fir.
Un BPF într-un transmițător este utilizat pentru a limita lățimea de bandă a semnalului de ieșire la cel mai mic nivel necesar și pentru a transmite date la viteza și forma ideală. De asemenea, acest filtru dintr-un receptor permite decodificarea semnalelor dintr-un nivel de frecvență preferat, menținând în același timp absența semnalelor la frecvențe inutile. Raportul S/N al unui receptor este optimizat printr-un filtru trece-bandă. Acest articol oferă informații scurte despre un filtru activ trece bandă .
Ce este un filtru activ de trecere a benzii?
Un tip de filtru trece-bandă care utilizează componente active precum un amplificator operațional , împreună cu rezistențele și condensatorii pentru a forma filtrul este cunoscut ca un filtru activ trece bandă. Aceste filtre trece-bandă amplifică semnalul de intrare pe lângă filtrare, deși au nevoie de o sursă de alimentare externă.
Acest filtru trece-bandă este proiectat prin montarea în cascadă a unui HPF, a unui amplificator și a unui LPF, așa cum se arată în figura de mai jos. Circuitul amplificator dintre HPF și LPF asigură izolație și asigură un câștig general de tensiune. Valorile frecvenței de tăiere ale ambelor filtre trebuie menținute cu cea mai mică variație. Dacă această variație este extrem de mică, atunci există o șansă de interacțiune între etapele de trecere jos și trecere înaltă. Prin urmare, este necesar un circuit de amplificare. pentru a avea nivelurile corecte ale acestor frecvențe de tăiere.
Principiul de lucru al filtrului activ de trecere a benzii
Filtrul activ de trecere de bandă funcționează prin atenuarea frecvențelor deasupra sau sub o gamă de frecvențe (adică, banda de trecere sau lățimea de bandă a filtrului). Orice semnal cu o frecvență în acel interval de trecere de bandă trece pur și simplu prin filtru. Orice frecvență care se află în afara trecerii de bandă este redusă sau atenuată.
Design activ al filtrului trece-bandă
Circuitul activ al filtrului trece-bandă este prezentat mai jos. Acest circuit poate fi proiectat prin conectarea în cascadă a filtrelor pasive individuale de trecere joasă și trecere înaltă. Oferă un filtru de tip „factor de calitate” scăzut, care conține o bandă de trecere largă. Etapa primară a filtrului activ de trecere în bandă este etapa de trecere înaltă care utilizează condensatorul pentru a bloca orice polarizare DC de la sursa principală.
Acest design de circuit are avantajul de a genera un răspuns de frecvență în bandă de trecere asimetrică destul de plat printr-o singură jumătate care semnifică răspunsul de trecere jos, în timp ce jumătatea rămasă înseamnă un răspuns de trecere înaltă.
Punctul de colț superior „ƒH” și punctul de tăiere a frecvenței colțului inferior „ƒL” sunt calculate la fel ca înainte în circuitele normale LPF și HPF de ordinul întâi.
Este necesară o separare rezonabilă între cele două puncte de întrerupere pentru a evita orice interacțiune între etapele LPF și HPF. Amplificatorul ajută la asigurarea izolației între cele două etape de filtru pentru a descrie câștigul general de tensiune al circuitului de filtru. Prin urmare, lățimea de bandă a filtrului este diferența dintre punctele mai mari și mai mici de -3dB. Răspunsul normalizat în frecvență și schimbarea de fază a unui BPF activ va fi după cum urmează.
Raspuns in frecventa
Când circuitul de filtru reglat pasiv de mai sus funcționează ca un BPF, atunci lățimea de bandă poate fi destul de largă. Acest lucru poate fi o problemă dacă dorim să separăm frecvențele cu o bandă mică. Filtrul activ de trecere de bandă poate fi proiectat și cu amplificator operațional inversor.
Astfel, prin reorganizarea pozițiilor rezistențelor și condensatoarelor în filtru, putem genera un circuit de filtrare mult mai bun. Punctul de tăiere inferior -3dB este specificat de „ƒC1” pentru un BPF activ, în timp ce punctul de reducere mai mare de -3dB este specificat de „ƒC2”.
Filtrul de mai sus are două frecvențe centrale HPF și LPF. The filtru trece-înalt frecvența centrală ar trebui să fie mai mică în comparație cu frecvența centrală a LPF.
Frecvența centrală a BPF este media geometrică a frecvențelor de tăiere superioare și inferioare, cum ar fi; fr2 = fH x fL.
Câștigul BPF activ este de 20 log (Vout/Vin) dB/Deceniu.
Răspunsul de amplitudine este legat de răspunsurile LPF și HPF. Curba de răspuns depinde în principal de ordinea filtrului în cascadă.
Factorul Q
Lățimea totală a benzii de trecere reală între punctele de colț superior și inferioară -3dB ale filtrului activ de trecere a benzii decide factorul Q al circuitului. Valoarea factorului Q este mai mică, atunci lățimea de bandă a filtrului este mai mare. Ca rezultat, factorul Q este mai mare, cu atât filtrul este mai îngust.
Uneori, factorul Q al filtrului activ de trecere a benzii este notat cu simbolul grecesc „α” și se numește frecvența de vârf alfa.
α = 1/Q
Întrucât „Q” al unui BPF activ se referă la „claritatea” răspunsului filtrului în jurul lui „ƒr” (frecvența de rezonanță centrală), atunci poate fi cunoscut și sub numele de factor de amortizare (sau) coeficient de amortizare deoarece filtrul are mai amortizare decât filtrul are un răspuns mai plat. Filtrul are o amortizare mai mică, răspunsul filtrului este mai clar.
Raportul de amortizare este indicat cu simbolul grecesc „ξ”
ξ = a/2
Factorul de calitate al unui filtru de trecere de bandă activ este raportul dintre ƒr (frecvența de rezonanță) și BW (lățimea de bandă) între frecvențele mai mari și mai mici de -3dB.
Tipuri active de filtre trece-bandă
Există două tipuri de filtre active de trecere de bandă; filtrul trece bandă largă și filtru trece bandă îngustă care sunt discutate mai jos.
Filtru de trecere în bandă largă
Dacă valoarea factorului de calitate (Q) este sub zece, banda de trecere este largă și atunci ne oferă lățimea de bandă mai mare. Deci, acest BPF este cunoscut sub numele de Wide Band Pass Filter. Într-un filtru trece-bandă largă, frecvența de tăiere înaltă ar trebui să fie mai mare în comparație cu frecvența de tăiere inferioară.
În primul rând, semnalul trece prin HPF, semnalul de ieșire al acestui filer va tinde spre infinit, care este dat LPF-ului la sfârșit. Acest LPF va trece jos semnalul de frecvență mai mare.
Ori de câte ori HPF este cascat prin LPF, atunci poate fi obținut BPF simplu. Pentru a înțelege acest filtru, ordinea circuitelor LPF și HPF ar trebui să fie similară.
Cascadarea unui LPF de ordinul întâi și HPF ne oferă BPF de ordinul doi. Prin cascada a două LPF-uri de ordinul întâi cu două HPF-uri formează un BPF de ordinul al patrulea.
Din cauza acestei cascade, circuitul oferă o valoare a factorului de calitate scăzută. Condensatorul din HPF de ordinul întâi blochează orice polarizare DC de la semnalul i/p.
La ambele benzi de oprire, câștigul este de ± 20 dB pe deceniu în cazul filtrului de ordinul doi. LPF și HPF trebuie să fie doar de primă ordine.
De asemenea, ori de câte ori cele două filtre sunt în a doua ordine, declinarea câștigului la ambele benzi de oprire este de aproximativ ± 40dB/Deceniu.
Expresie:
Expresia pentru amplificarea tensiunii filtrului trece-bandă este dată astfel:
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
Este atins de câștigurile individuale atât ale LPF, cât și ale HPF, astfel încât ambele câștiguri ale filtrului sunt date ca;
Creștere de tensiune pentru HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
Câștig de tensiune pentru LPF
Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amax = Amax1 * Amax2
Unde „Amax1” este câștigul etapei HPF & „Amax2; este câștigul etapei LPF.
Răspunsul filtrului de bandă largă este prezentat mai jos.
Filtru de trecere în bandă îngustă
Dacă valoarea factorului de calitate este mai mare de zece, banda de trecere va fi îngustă și lățimea de bandă de trecere este, de asemenea, mai mică. Prin urmare, acest filtru este cunoscut sub denumirea de filtru de trecere în bandă îngustă.
Acest filtru folosește doar o componentă activă, cum ar fi amplificatorul operațional, în loc de două. Op-amp-ul utilizat în acest circuit este într-o configurație inversabilă. Câștigul amplificatorului operațional din acest filtru este maxim la frecvența centrală „fc”.
Circuitul filtrului trece-bandă îngustă este prezentat mai jos. Intrarea este furnizată către terminalul de intrare inversor al amplificatorului operațional, apoi amplificatorul operațional este cunoscut ca în configurația inversoare. Acest circuit îngust BPF oferă un răspuns îngust BPF.
Câștigul de tensiune al acestui circuit de filtru este AV = – R2 / R1
Frecvențele de tăiere ale acestui circuit de filtru sunt;
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
Avantaje și dezavantaje
The Avantajele unui filtru activ trece bandă includ următoarele.
- Acest filtru ajută la trimiterea sau transmiterea unui semnal de frecvență preferat, astfel ajută la economisirea energiei.
- Acest filtru trece-bandă ajută la filtrarea semnalelor între două game de frecvență.
Dezavantajele filtrelor active bandpass includ următoarele.
- Un filtru activ de trecere de bandă permite trecerea numai a unui interval preferat de frecvențe.
- Ele pot fi excesiv de restrictive, în special atunci când sunt utilizate cu o lățime de bandă îngustă. Deci, acest lucru duce la pierderea conținutului de frecvență semnificativ pentru a face sunetul să se simtă gol sau subțire.
- Aceste filtre sunt scumpe.
- Aceste filtre au un sistem de control complex.
- Au o gamă limitată de frecvență.
Aplicații
Aplicațiile filtrelor active bandpass includ următoarele.
- Filtrul activ de trecere a benzii este utilizat în multe aplicații optice, cum ar fi; comunicații prin satelit, telecomunicații și transfer de date în modulație luminoasă.
- Aceste filtre sunt utilizate în echipamentele audio pentru a izola frecvențele care se află în intervalul audibil de la 20 Hz la 20 kHz.
- BPF activ este utilizat în sistemele de comunicații fără fir pentru a filtra semnalele și zgomotul nedorit pentru a spori excelența comunicării.
- Aceste filtre sunt utilizate în modul de reglare și blocare de mare viteză a laserelor inelare EDF.
- Acest tip de BPF este utilizat pentru a nivela spectrul o/p al surselor super fluorescente EDF.
- Acest filtru este utilizat în transmițătorul și receptorul de semnal într-un sistem de comunicații fără fir.
- Acestea sunt utilizate în sistemele audio actuale, cum ar fi sistemul stereo, sistemele de difuzoare distribuite, sistemul de muzică Dolby etc.
- Acest tip de filtru este utilizat pentru controlul frecvenței în circuitele de egalizare audio, LASER, LIDAR & Sisteme de comunicare SONAR.
- Acesta este utilizat în dispozitivele medicale precum ECG și în neuroștiință pentru a colecta și analiza date.
Unde este folosit filtrul activ de trecere a benzii?
Filtrul activ de trecere de bandă este utilizat în domeniul telecomunicațiilor și, de asemenea, în intervalul de frecvență audio de la 0 kHz la 20 kHz pentru modemuri și procesarea vorbirii. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit în transmițătoarele și receptoarele fără fir
Care este diferența dintre filtrul de trecere în bandă activ și pasiv?
Filtrele active funcționează cu o sursă de energie, în timp ce filtrele pasive nu au nevoie de o sursă de energie. Ieșirea filtrului pasiv se modifică odată cu sarcina, în timp ce filtrul activ își menține performanța indiferent de sarcina conectată.
Care este funcția de transfer a unui filtru trece-bandă?
Comportamentul filtrului trece-bandă poate fi descris matematic cu o funcție de transfer. Aceasta este o funcție complexă care conectează semnalele de intrare și ieșire ale filtrului. Deci T.F este dat de H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
Ce este o funcție de transfer de filtru?
Funcția de transfer al filtrului este transformarea Z a răspunsului său la impuls. Include ecuații pătratice întregi atât în numărător, cât și în numitor. Oferă baza pentru implementarea caracteristicilor de realizare low-pass, high-pass, notch cu o singură frecvență și band-reject.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
Astfel, aceasta este o privire de ansamblu asupra activului filtru trece banda, circuit, functionare , tipuri și aplicații. Filtrele active de trecere de bandă sunt componente importante din circuitele electronice pentru a trece selectiv o anumită gamă de frecvențe, în timp ce le atenuează pe altele. Aceste filtre oferă mai multe beneficii, cum ar fi precizie ridicată și câștig. BPF-urile active sunt utilizate în mod obișnuit în sisteme de comunicatii precum și aplicații bazate pe procesarea semnalului oriunde sunt necesare stabilitatea și precizia ridicată, cum ar fi receptoarele radio. Acestea sunt utilizate într-o varietate de aplicații, audio, inginerie biomedicală și comunicații radio. Iată o întrebare pentru tine, ce este un filtru pasiv de bandă?
