Filtru (electronic)

Semnal de televiziune splitter constând dintr - un filtru trece sus și un filtru trece - jos .

În electronică , un filtru este un sistem sau dispozitiv care îndeplinește funcții de transformare sau procesare ( procesare semnal ) a semnalelor plasate la intrarea sa. De exemplu, una dintre funcțiile sale poate fi eliminarea anumitor benzi de frecvență lăsând să treacă toate celelalte, ceea ce se realizează prin atenuarea frecvențelor mai mari sau mai mici ale unei valori date (filtre de trecere joasă și de trecere înaltă ) sau a celor incluse în un domeniu prestabilit ( filtre de trecere și suprimare a benzii ).

Descriere

Funcția de transfer a unui filtru, adică comportamentul în domeniul frecvenței , poate fi reprezentată grafic cu un grafic Bode . Fiecare dispozitiv real acționează, prin natura sa, ca un filtru, deoarece banda de trecere a funcției sale de transfer nu este niciodată extinsă infinit.

Un filtru ideal este unul care are tranziții sau discontinuități ascuțite (adică verticale) în funcția sa de transfer; de fapt, sau în realitatea implementării, filtrele reale nu au niciodată aceste caracteristici, ci au o bandă de tranziție mai mult sau mai puțin clară, dar niciodată verticală și, prin urmare, generează efecte nedorite: cu cât banda de tranziție este mai mică, cu atât filtrul are mai mult coeficient de merit, dar costurile de construcție sunt mai mari și invers.

Filtrele electronice pot fi:

Pasiv sau activ
Analogic sau digital
Timp discret (eșantionat) sau timp continuu
Liniar sau neliniar

Cele mai frecvente tipuri de filtre electronice sunt liniare, indiferent de alte aspecte ale designului lor. Multe filtre sunt, de asemenea, sisteme rezonante.

Istorie

Filtre LC multipole mai complexe au existat, de asemenea, de mulți ani și descrierea lor este bine cunoscută în literatura tehnică. De asemenea, au fost realizate filtre bazate pe circuite hibride, de obicei folosind combinații de amplificatoare analogice, rezonatoare mecanice ( cuarț piezoelectric sau MEMS ) și linii de întârziere (linii de întârziere). Există, de asemenea, alte dispozitive, cum ar fi liniile de întârziere a dispozitivului cuplat de încărcare ( CCD) , care au fost utilizate ca filtre de timp discrete. Odată cu nașterea procesării digitale a semnalului, filtrele digitale active au devenit obișnuite.

Clasificare după tehnologie

Filtru pasiv

Un singur pol

Schema circuitului de construcție a unui filtru pas-jos pasiv

Schema circuitului de construcție a unui filtru pas-înalt pasiv

Răspunsul în frecvență al unui filtru band-pass

Cea mai simplă realizare a unui filtru liniar se bazează pe combinația de rezistențe, condensatori și inductori. Aceste filtre sunt așa-numitele circuite RC, RL, LC și RLC. În ansamblu, acestea sunt numite „filtre pasive”, deoarece funcționarea lor depinde de prezența unui semnal variabil de intrare (Vi) și nu introduc nicio amplificare a nivelului semnalului de intrare.

Inductoarele au o impedanță ridicată la semnalele de tensiune de înaltă frecvență și o impedanță scăzută la cele de frecvență joasă, în timp ce condensatoarele se comportă invers: impedanță ridicată la frecvențe joase (impedanță infinită la frecvență zero, adică curent continuu) și joasă la înaltă așa cum rezultă din formulele respective: indicarea cu $f$ ${\ displaystyle f}$ ${\ displaystyle f}$ frecvența semnalului exprimată în Hz , valoarea impedanței condensatorului este:

Z={\frac {1}{j\omega C}}

{\ displaystyle Z = {\ frac {1} {j \ omega C}}}

{\ displaystyle Z = {\ frac {1} {j \ omega C}}}

unde este

\omega =2\pi f

{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f}

{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f}

(radiani pe secundă)

în timp ce pentru inductor avem:

Z=j\omega L

{\ displaystyle Z = j \ omega L}

{\ displaystyle Z = j \ omega L}

Un filtru în care unul sau mai mulți inductori în serie sau unul sau mai mulți condensatori în paralel sunt așezați pe semnal se numește filtru trece-jos , în timp ce un filtru în care sunt plasați unul sau mai mulți condensatori în serie sau unul sau mai mulți inductori în paralel pe semnal se spune filtru trece sus

Rezistoarele din partea lor nu au proprietatea de a selecta frecvențele, dar sunt adăugate condensatoarelor și inductoarelor pentru a determina constantele de timp ale circuitului și, prin urmare, frecvențele la care răspund.

La frecvențe foarte mari (mai mari de aproximativ 100 MHz ), inductoarele pot consta dintr-un singur inel sau bandă de metal și condensatori din folii de metal adiacente. Astfel de structuri, utilizate și pentru a se potrivi cu impedanța , se numesc adaptoare stub .

Multipolar

Filtrele de ordinul doi sunt clasificate în funcție de factorul lor de merit (sau factorul Q ). Se spune că un filtru are un Q ridicat, dacă selectează sau inhibă un interval de frecvență îngust, în raport cu frecvența sa centrală.

Filtre active

Filtrele active sunt realizate folosind o rețea electrică complexă, formată dintr-o combinație de componente active, de obicei amplificatoare operaționale și componente pasive (rezistențe, condensatori, inductoare). Pot avea Q-uri ridicate și pot obține rezonanță fără a utiliza inductori. Cu toate acestea, frecvența lor mai mare este limitată de lățimea de bandă a amplificatoarelor utilizate.

Filtre digitale

Același subiect în detaliu: Filtru digital .

Schema de filtrare a răspunsului finit la impuls (FIR)

Procesarea digitală a semnalului permite realizarea economică a unei mari varietăți de filtre. În plus, procesarea numerică a semnalelor nu are aceleași limitări ca și filtrele analogice în poziționarea polilor și a zerourilor filtrului pe planul complex: filtrele digitale pot furniza, prin urmare, performanțe imposibil de obținut pentru filtrele analogice normale.

Semnalul de intrare este eșantionat și un convertor analog-digital îl transformă într-un flux numeric: un program care se află pe un procesor (în general un DSP ) efectuează calculele de filtrare pe acesta și generează un flux de ieșire numerică. Acesta din urmă este apoi convertit înapoi într-un semnal analog de către un convertor digital-analog . O limitare importantă este că un filtru digital poate procesa frecvențe egale cu maximum jumătate din frecvența de eșantionare, sub pedeapsa aliasării și a perturbărilor de ieșire.

Filtre cuarț și piezoelectrice

La sfârșitul anilor 1930, unii ingineri și-au dat seama că rezonanța mecanică a materialelor piezoelectrice ar putea fi exploatată pentru a obține filtre foarte eficiente: primii rezonatori erau din oțel, dar în curând a fost clar că cuarțul era un material mai potrivit pentru acest scop. Rezonatoarele de cuarț convertesc semnalul electric care le trece în oscilații mecanice cu o eficiență mare: factorul Q al unui rezonator de cuarț este, în general, mai mare de 5000, valori inaccesibile de rezonatoarele LC normale. Cuarțul are, de asemenea, un coeficient de expansiune termică foarte scăzut și, prin urmare, menține o precizie bună a frecvenței pe măsură ce temperatura variază.

Clasificare după funcția de transfer

Clasele generice

Un filtru generic ideal pentru lățimea de bandă

Filtru trece jos : transmite într-o bandă de frecvență variind de la zero la o frecvență de tăiere f; componentele de frecvență mai mare sunt atenuate.
Filtru de trecere înaltă : transmite într-o bandă extinsă de la o frecvență de întrerupere f la cea mai mare frecvență de transmis; componentele cu frecvență mai mică decât pragul sunt atenuate.
Filtru de trecere a benzii : transmite într-o bandă între o frecvență de întrerupere mai mică și mai mare; componentele cu frecvențe în afara benzii de trecere sunt atenuate.
Filtru Notch : numit și Notch , este un filtru care taie o bandă de frecvență îngustă, inclusă într-un anumit interval delimitat de două valori. Un exemplu este filtrul dublu T.
Filtrul trece totul : este un filtru care nu intervine asupra amplitudinii frecvențelor care trec prin el ci doar pe fazele lor; este folosit pentru a optimiza răspunsul de fază al unui sistem care conține alte filtre necompensate.

Configurații speciale

Filtru gaussian

Filtru activ de bandă activ cu amplificator dual DABP
Filtru dublu T
Filtru Butterworth
Filtru Chebyshev
Filtru Bessel
Filtru eliptic
Filtru "L" optim
Filtru gaussian
Filtru clepsidră
Filtru de cosinus crescut
Filtru de capacitate comutat

Aplicații

Aproape toate echipamentele electronice folosesc filtre în scopuri diferite. În comunicațiile radio, filtrele de trecere a benzii din receptoare îmbunătățesc recepția limitând amplificarea doar la semnalele dorite.

Lățimea de bandă a filtrelor utilizate în sistemele de comunicații variază, în funcție de aplicații, de la mai puțin de 1 Hz până la mulți megaherți. Un filtru trece jos, aplicat la ieșirea redresoarelor din subsistemele de alimentare a circuitelor electronice, elimină componentele alternative din semnalul pulsatoriu furnizat la ieșirea redresorului, returnând doar componenta directă.

Acțiunea selectivă a filtrelor este, de asemenea, utilizată pe scară largă pentru a împărți ieșirea amplificatoarelor audio în mai multe benzi destinate sistemelor de difuzoare cu mai multe căi: astfel de filtre sunt de obicei incluse în dulapul din sistemele de acasă și de înaltă fidelitate, în timp ce filtrele sunt utilizate în schimb. dispozitive active poziționate înainte de amplificarea puterii în sistemele de amplificare concert, deoarece, având în vedere puterile relevante implicate (foarte des mai mari de 2000W pentru fiecare difuzor), ar fi dificil și foarte scump să se găsească componente pasive adecvate pentru valorile de curent și tensiune ridicate provenite de la amplificator. Avantajul subdiviziunii disipării termice nu este, de asemenea, secundar, ceea ce este, fără îndoială, mai eficient pentru puteri atât de mari.

Singurul dezavantaj al filtrelor active este că, prin includerea amplificatoarelor de semnal în interiorul lor, acestea încă introduc un anumit zgomot și o anumită distorsiune, care trebuie reduse la minimum printr-un design foarte precis; un astfel de zgomot nu este binevenit în contextele în care puritatea sunetului este esențială, cum ar fi sistemele high-end de înaltă fidelitate pentru uz casnic. Pe de altă parte, este neglijabil în contexte, cum ar fi muzica live, în care un anumit nivel de zgomot este tolerat pe scară largă, luând în considerare și faptul că semnalul este perturbat atât de alte dispozitive, cum ar fi diferiți procesoare de semnal, cât și de electromagnetici. interferență.

Elemente conexe

Rețeaua Zobel
Filtru digital
Filtru activ
Rezonanță (fizică)
Factorul de merit
Filtru ADSL sau filtru ADSL în bandă largă
Filtru excelent
Filtru EMI

Alte proiecte

Wikiversitatea conține resurse de filtrare electronică
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere filtrate electronic

linkuri externe

Catalog de filtre pasive și manual de proiectare: Zverev, Anatol, I, Manual de sinteză a filtrelor , John Wiley & Sons, 1969, ISBN 0-471-98680-1 .
Liberatore A. - Manetti S., Proiectarea filtrelor electronice , Ed. La Medicea, 1985. vezi aici
Williams, Arthur B & Taylor, Fred J,Electronic Filter Design Handbook , McGraw-Hill, 1995, ISBN 0-07-070441-4 .
National Semiconductor AN-779 Teoria filtrelor analogice
Noțiuni fundamentale de inginerie electrică și electronică - Explicație detaliată a tuturor tipurilor de filtre
Noțiuni introductive despre filtrele digitale - ElectroPortal
Filtre , pe xoomer.virgilio.it .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 23590 · LCCN (EN) sh85041689 · GND (DE) 4113559-3 · BNF (FR) cb11973025c (data)

Portal electronic

Portal electrotehnic

Portalul de fizică