Електричними частотними фільтрами називаються чотириполюсники, ослабленняяких в деякій смузі частот мало, а в іншій смузі частот - велике.Діапазон частот, в якому ослаблення мало, називається смугою пропускання, адіапазон частот, в якому ослаблення велике - смугою затримування. Міжцими смугами часто вводять смугу переходу.
Фільтри можуть бути пасивними, складаються зіндуктивностей і ємностей (пасивні LC-фільтри), пасивними,складаються з опорів і ємностей (пасивні RC-фільтри),активними (ARC-фільтри), кварцовими, магнітстрікціоннимі, зпереключающими конденсаторами, цифровими (з використанням ЕОМ) і деякимиіншими. Фільтри LC мають широке поширення, але в даний часінтенсивно витісняються ARC-фільтрами. Надзвичайно перспективними єфільтри з перемикаючим конденсаторами (AC-фільтри).Кварцові фільтри обеспецівают дуже великі добротності (до десятків тисяч) нависоких частотах, а магнітострикційні - на низьких.
Фільтри з характеристиками Баттерворта, Чебишева, Золотарьова.
При синтезуванні фільтрів широкого поширення набули фільтри зхарактеристиками, названими іменами великих вчених, чиї праці використовувалисяпри розробці даних фільтрів - Баттерворта, Чебишева, Золотарьова(С.Баттерворт - інженер-електрик, який досліджував фільтри в 30-х роках минулого(ХХ) століття, П. Л. Чебишев (1821-1894) та Є. І. Золотарьов (1847-1878) - великіматематики, академіки Петербурзької академії наук).
Фільтрами з характеристиками Баттерворта називають фільтри, у яких в ФНЧ принульовій частоті ослаблення = 0, в смузі пропускання воно монотоннозбільшується, на граничній частоті сягає 3 дБ, а потім у смузі затримкипоступово зростає. Чим більше ланок має фільтр, тобто чим вище йогопорядок, тим крутіше йде характеристика в смузі затримки і тим меншеослаблення в смузі пропускання. При цьому слід мати на увазі, що елементифільтра вважають чисто реактивними. При наявності втрат характеристикиспотворюються і відрізняю
ться від розглянутих.
Фільтрами Чебишева називають фільтри, у яких характеристика ослаблення всмузі пропускання має коливальний характер з амплітудою, що не перевищує 3дБ, а в смузі затримання - монотонно зростаючою, з крутизною, більшою,ніж у фільтра Баттерворта такого ж порядку. Чим більше амплітуда ослаблення всмузі пропускання, тим крутіше йде характеристика в смузі затримування інавпаки, чим менше амплітуда коливання в смузі пропускання, тим меншекрутизна характеристики в смузі затримання.
Характеристика фільтра Золотарьова має в смузі пропускання коливальнийхарактер, а в смузі затримання - немонотонний, з характерними сплесками.
Кварцові фільтри.
У реальних умовах добротності котушок складають десятки, іноді сотні, аледля отримання необхідних харктеристик в ряді випадків необхідні добротностізначно більші, перш за все в смугових фільтрах з вузькою смугоюпропускання. Для таких цілей використовують кварцові фільтри.
Кварцові фільтри працюють за наступним принципом: в платівці,вирізаної з природного матеріалу - кварцу, виявляються прямий і зворотнийп'єзоелектричний ефекти, що складаються в тому, що при стисненні і розтягуванніпластинки, на одній її поверхні з'являється позитивний заряд, а на інший- Негативний. Якщо ж покрити дві грані платівки металом і прикласти доним змінну напругу, то платівка стане стискатися і розтягуватися, тобтовиходять механічні коливання. Це називається зворотним п'єзоелектричнимефектом. Як всяка коливальна система, кварцова пластинка маєвласну частоту коливань, яка залежить від її геометричних розмірів.Власна частота кварцової пластинки при товщині 1 мм становить одиницімегагерц.
Магнітострикційні фільтри.
Коливальні системиможуть бути як електричними, так і механічними. Наприклад, камертон,натягнута струна і тому подібні пристрої є типово коливальнимисистемами. За принципом успользованія коливальних властивостей подібних деталейрозроблені і використовуються в техніці зв'язку електромеханічні фільтри,добротності яких дуже високі - порядку одиниць тисяч. Принцип діїцих фільтрів полягає в наступному. Виявилося, що деякі матеріали, наприкладнікель, ферит та інші, мають властивості змінювати свою довжину при змінімагнітного поля, в якому вони знаходяться. Подібний ефект називають магнітострикційних.Він використовується в електромеханічних магнітострикційних фільтрах, що складаютьсяз жорстко закріпленого нікелевого або феритового стрижня довжиною в кількасантиметрів. На стрижні знаходиться котушка з індуктивністю порядку десяткамікрогенрі і постійний магніт. При протіканні по котушці змінного струмумагнітне поле змінюється, що призводить до зміни довжини стержнів і їхрезонансним частотам.
Подібні фільтри називаютьтакож магнітострикційними резонаторами. У таких фільтрах W2/W3= 1,01 - 1,10, що відповідає добротність 2000 ... 4000 і у багато разівперевищує добротності, які можна отримати в LC-фільтрах.
Лініїзатримки.
У будь ланцюга, що міститьнакопичувачі енергії, максимальні значення миттєвих вихідних напругзрушені за часом відносно аналогчних максимальних вхідних напруг.Наприклад в нижчеподаній схемою вихідний напруга відстає по фазі відвхідного, через що між цими напругами утворюється зсув у часі.Такий час затримки називають груповим.
Слід зазначити, що зпідвищенням частоти час затримки скорочується т. к. ємність єчастотозавісімим елементом.
Активні фільтри.
Фільтри класу ARCназиваються активними. На практиці найбільшого поширення набули фільтри,у яких в якості активних елементів використовуються операційні підсилювачі.
Ланцюгиз перемикаючим конденсаторами.
Сучаснамікроелектроніка дозволяє виготовляти на одному кристалі і за одинтехнологічний цикл електронні пристрої, що містять велику кількість елементів- Резисторів, конденсаторів, транзисторів, ОУ і т. д.. Однак обсяг,займаний резистором, значно (іноді до 100 разів) перевищує обсяг,займаний конденсатором, причому зі збільшенням опору резисторазбільшуються його розміри. Таким чином виявилася надзвичайно перспективноюідея - замінити резистори деякою, нехай навіть багатоелементної схемою, але немістить резистивних елементів.
Така заміна вельмиістотна також і тому, що зменшення числа резисторів знижуєспоживану потужність і виділення тепла в мікросхемі.
Розглянемо таку заміну насхемах 1 і 2.
Нехай є схема 1, якщо U1> U2, то по ланцюгу потече струм від точки а до точки в. Замінимо тепер схему 1схемою 2. перемикач До в деякий момент переведемо з положення 2 уположення 1. Оскільки напруга на конденсаторі відмінно від напруги U1,конденсатор стане заряджатися і в гілки першого джерела потече струм, також,як він протікав у схемі 1. Після перемикання ключа в положення 2, конденсаторстане розряджатися і в провіднику в виявиться струм. Ці перемикання виробляють здосить великою частотою, яку називають тактовою. В якостіперемикача використовують спеціальний електронний пристрій, що не міститьрезисторів.
Цифровіфільтри.
Цифрові фільтри(Еквалайзери) отримали широке розповсюдження завдяки інтенсивному розвиткуЕОМ.
Можливості такихеквалайзерів практично необмежені (залежить від складності програми). Приобробці цифровим еквалайзером є можливість встановити добротність до10000,
коефіцієнт посилення напевній частоті може досягати 50 дБ, а ослаблення - до негативноїнескінченності (повного придушення частоти), чого ніколи не вдасться отримати нааналогових фільтрах! Цифрові еквалайзери не дають фазових зрушень частот, хочаякщо треба це зімітувати, то подібне не проблема. Цифрові еквалайзериніколи не додадуть шум в сигнал, т. к. обробляється оцифрований сигнал іякість цієї обробки залежить від складності алгоритму, частоти дискретизації ібітності.
