Elektronik filtre - Electronic filter

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Bir yüksek geçiren filtre (sol) ve bir alçak geçiren filtreden (sağ) oluşan televizyon sinyali ayırıcı. Anten, merkezin solundaki vida terminallerine bağlanır.

Elektronik filtreler , elektrik devreleri şeklinde bir tür sinyal işleme filtresidir . Bu makale, dağıtılmış elemanlı filtrelerin aksine, topaklanmış elektronik bileşenlerden oluşan filtreleri kapsar . Yani, analizde tek bir noktada var olduğu düşünülebilecek bileşenleri ve ara bağlantıları kullanmak. Bu bileşenler, ayrı paketler halinde veya bir entegre devrenin parçası olabilir .

Elektronik filtreler, istenmeyen frekans bileşenlerini uygulanan sinyalden kaldırır, istenenleri geliştirir veya her ikisini birden yapar. Onlar yapabilir:

En yaygın elektronik filtre türleri, tasarımlarının diğer yönlerine bakılmaksızın doğrusal filtrelerdir . Tasarımları ve analizleriyle ilgili ayrıntılar için doğrusal filtreler hakkındaki makaleye bakın.

Tarih

Elektronik filtrelerin en eski biçimleri, yalnızca dirençler ve kapasitörler veya dirençler ve indüktörler kullanılarak oluşturulan pasif analog doğrusal filtrelerdir . Bunlar sırasıyla RC ve RL tek kutuplu filtreler olarak bilinir . Bununla birlikte, bu basit filtrelerin çok sınırlı kullanımları vardır. Çok kutuplu LC filtreleri, yanıt formu, bant genişliği ve geçiş bantları için daha fazla denetim sağlar . Bu filtrelerden ilki, 1910'da George Campbell tarafından icat edilen sabit k filtresiydi . Campbell'in filtresi, iletim hattı teorisine dayalı bir merdiven ağıydı. Otto Zobel ve diğerlerinin geliştirdiği filtrelerle birlikte bu filtreler, görüntü parametresi filtreleri olarak bilinir . İleri tarafından çekildi önemli adım Wilhelm Cauer alanını kurdu ağ sentezi sırasında etrafında Dünya Savaşı . Cauer'in teorisi, önceden belirlenmiş bazı frekans fonksiyonlarını tam olarak takip eden filtrelerin oluşturulmasına izin verdi.

Teknolojiye göre sınıflandırma

Pasif filtreler

Doğrusal filtrelerin pasif uygulamaları, dirençler (R), indüktörler (L) ve kapasitörler (C) kombinasyonlarına dayanır . Bu tipler topluca pasif filtreler olarak bilinirler çünkü harici bir güç kaynağına bağlı değildirler ve transistörler gibi aktif bileşenler içermezler .

Kondansatörler tersini yaparken, indüktörler yüksek frekanslı sinyalleri engeller ve düşük frekanslı sinyalleri iletir . Sinyalin bir indüktörden geçtiği veya bir kapasitörün toprağa giden bir yol sağladığı bir filtre, düşük frekanslı sinyallere yüksek frekanslı sinyallerden daha az zayıflama sunar ve bu nedenle bir düşük geçiş filtresidir . Sinyal bir kapasitörden geçerse veya bir indüktörden toprağa giden bir yola sahipse, filtre, yüksek frekanslı sinyallere düşük frekanslı sinyallerden daha az zayıflama sunar ve bu nedenle yüksek geçişli bir filtredir . Dirençlerin kendi başlarına frekans seçici özellikleri yoktur, ancak devrenin zaman sabitlerini ve dolayısıyla yanıt verdiği frekansları belirlemek için indüktörlere ve kapasitörlere eklenir .

İndüktörler ve kapasitörler , filtrenin reaktif elemanlarıdır. Eleman sayısı, filtrenin sırasını belirler. Bu bağlamda, bir bant geçişi veya bant durdurma filtresinde kullanılan bir LC ayarlı devre , iki bileşenden oluşmasına rağmen tek bir öğe olarak kabul edilir.

Yüksek frekanslarda (yaklaşık 100 megahertz'in üzerinde ), bazen indüktörler tek halkalardan veya sac metal şeritlerden oluşur ve kapasitörler bitişik metal şeritlerden oluşur. Bu endüktif veya kapasitif metal parçalarına saplama adı verilir .

Tek eleman türleri

Bir RC devresi tarafından gerçekleştirilen düşük geçişli bir elektronik filtre

En basit pasif filtreler, RC ve RL filtreleri, bir elemana entegre edilmiş endüktans ve kapasitans ile karakterize edilen hibrit LC filtresi dışında, yalnızca bir reaktif eleman içerir .

L filtresi

Bir L filtresi, biri seri diğeri paralel olmak üzere iki reaktif elemandan oluşur.

T ve π filtreler

Düşük geçişli filtre
Yüksek geçişli T filtresi

Üç elemanlı filtreler bir 'T' veya 'π' topolojisine sahip olabilir ve her iki geometride de bir alçak geçiren , yüksek geçiren , bant geçiren veya bant durdurma özelliği mümkündür. Bileşenler, gerekli frekans özelliklerine bağlı olarak simetrik olarak seçilebilir veya seçilebilir. Resimdeki yüksek geçişli T filtresi, yüksek frekanslarda çok düşük bir empedansa ve düşük frekanslarda çok yüksek bir empedansa sahiptir. Bu, bir iletim hattına sokulabileceği anlamına gelir, bu da yüksek frekansların geçmesine ve düşük frekansların yansıtılmasına neden olur. Benzer şekilde, gösterilen düşük geçişli filtre için devre, düşük frekansları ileten ve yüksek frekansları yansıtan bir iletim hattına bağlanabilir. Kullanma m türevi filtre doğru sonlandırma empedansları ile bölümleri, giriş empedansı geçiş bandı içinde makul derecede sabit olabilir.

Çok elemanlı tipler

Çok elemanlı filtreler genellikle bir merdiven ağı olarak inşa edilir . Bunlar, filtrelerin L, T ve π tasarımlarının devamı olarak görülebilir. Durdurma bandı reddi veya geçiş bandından durdurma bandına geçiş eğimi gibi filtrenin bazı parametrelerinin iyileştirilmesi istendiğinde daha fazla öğeye ihtiyaç duyulmaktadır.

Aktif filtreler

Aktif filtreler , pasif ve aktif (güçlendirici) bileşenlerin bir kombinasyonu kullanılarak uygulanır ve harici bir güç kaynağı gerektirir. İşlemsel yükselteçler , aktif filtre tasarımlarında sıklıkla kullanılır. Bunlar yüksek Q faktörüne sahip olabilir ve indüktör kullanılmadan rezonans sağlayabilir . Bununla birlikte, üst frekans limitleri, amplifikatörlerin bant genişliği ile sınırlıdır.

Diğer filtre teknolojileri

Toplu bileşen elektroniği dışında birçok filtre teknolojisi vardır. Bunlar arasında dijital filtreler , kristal filtreler , mekanik filtreler , yüzey akustik dalga (SAW) filtreleri, ince film yığın akustik rezonatör (TFBAR, FBAR) tabanlı filtreler, granat filtreler ve atomik filtreler ( atomik saatlerde kullanılır ) bulunur.

Transfer işlevi

ayrıca bkz . daha fazla analiz için Filtre (sinyal işleme)

Transfer fonksiyonu , bir filtrenin çıkış sinyalinin oranı , giriş sinyalinin edilene kompleks, frekansın bir fonksiyonu olarak :

.

Tüm doğrusal zamanla değişmeyen filtrelerin transfer fonksiyonu, topaklanmış bileşenlerden ( iletim hatları gibi dağıtılmış bileşenlerin aksine ) oluşturulduğunda, iki polinomun oranı , yani rasyonel bir fonksiyon olacaktır . Transfer fonksiyonunun sırası , payda veya paydada karşılaşılan en yüksek güç olacaktır .

Topolojiye göre sınıflandırma

Elektronik filtreler, bunları uygulamak için kullanılan teknolojiye göre sınıflandırılabilir. Pasif filtre ve aktif filtre teknolojisi kullanan filtreler , bunları uygulamak için kullanılan belirli elektronik filtre topolojisine göre ayrıca sınıflandırılabilir .

Verilen herhangi bir filtre transfer fonksiyonu, herhangi bir elektronik filtre topolojisinde uygulanabilir .

Bazı yaygın devre topolojileri şunlardır:

Tasarım metodolojisine göre sınıflandırma

Tarihsel olarak, doğrusal analog filtre tasarımı üç ana yaklaşımla gelişmiştir. En eski tasarımlar, ana tasarım kriterinin devrenin Q faktörü olduğu basit devrelerdir . Bu, Q bir ayar devresinin frekans seçiciliğinin bir ölçüsü olduğundan, filtrelemenin radyo alıcısı uygulamasını yansıtıyordu. 1920'lerden itibaren filtreler görüntü açısından tasarlanmaya başlandı , çoğunlukla telekomünikasyon gereklilikleri tarafından yönlendirildi. II.Dünya Savaşı'ndan sonra baskın metodoloji ağ senteziydi . Başlangıçta kullanılan yüksek matematik, kapsamlı polinom katsayı değerleri tablolarının yayınlanmasını gerektirdi, ancak modern bilgisayar kaynakları bunu gereksiz kıldı.

Doğrudan devre analizi

Düşük dereceli filtreler , transfer fonksiyonunu elde etmek için Kirchhoff yasaları gibi doğrudan temel devre yasaları uygulanarak tasarlanabilir . Bu tür analizler genellikle sadece 1. veya 2. dereceden basit filtreler için yapılır.

RL filtresi frekans yanıtı

Görüntü empedans analizi

Bu yaklaşım, filtre bölümlerini, sonsuz bir özdeş bölüm zincirinde olan filtrenin bakış açısından analiz eder. Yaklaşım kolaylığı ve daha yüksek siparişlere kolayca genişletme yeteneği gibi avantajlara sahiptir. Öngörülen yanıtların doğruluğunun, genellikle durum böyle olmayan görüntü empedansındaki filtre sonlandırmalarına bağlı olması dezavantajına sahiptir.

5 elemanlı sabit k filtre yanıtı
Zobel ağı (sabit R) filtresi, 5 bölüm
m'den türetilmiş filtre yanıtı, m = 0.5, 2 eleman
m'den türetilmiş filtre yanıtı, m = 0,5, 5 eleman

Ağ sentezi

Ağ sentezi daha sonra bir yaklaşım, gerekli bir transfer fonksiyonu ile başlar ve ifade filtrenin giriş empedansı bir polinom olarak. Filtrenin gerçek eleman değerleri, bu polinomun sürekli fraksiyon veya kısmi fraksiyon genişlemeleri ile elde edilir. Görüntü yönteminden farklı olarak, sonlandırma dirençlerinin etkileri baştan itibaren analize dahil edildiğinden, sonlandırmalarda empedans eşleştirme ağlarına gerek yoktur.

İşte Butterworth, Chebyshev ve eliptik filtreleri karşılaştıran bir resim. Bu çizimdeki filtrelerin tümü beşinci dereceden alçak geçiren filtrelerdir. Özel uygulama - analog veya dijital, pasif veya aktif - hiçbir fark yaratmaz; çıktıları aynı olacaktır.

Elektronik doğrusal filtreler.svg

Görüntüden de anlaşılacağı gibi, eliptik filtreler diğerlerinden daha keskindir, ancak tüm bant genişliğinde dalgalanmalar gösterirler.

Ayrıca bakınız

Notlar ve referanslar

  • Zverev, Anatol, I (1969). Filtre Sentezi El Kitabı . John Wiley & Sons. ISBN   0-471-98680-1 . CS1 Maint: birden çok isim: yazar listesi ( bağlantı ) Pasif filtre türleri ve bileşen değerleri kataloğu. Pratik elektronik filtre tasarımı için İncil.
  • Williams, Arthur B. Taylor, Fred J (1995). Elektronik Filtre Tasarımı El Kitabı . McGraw-Hill. ISBN   0-07-070441-4 .

Dış bağlantılar