Расчет частоты среза многозвенных RC фильтров
категория
Расчеты по радиотехнике
А. БРАЖНИКОВ, г. Пенза
Радио, 2002 год, № 12
Автор статьи рассказывает о некоторых аспектах построения многозвенных частотных RC-фильтров и выбора элементов для них.
Как известно, фильтр нижних частот (ФНЧ), схема которого изображена на рис. 1 ,а, пропускает в нагрузку сигналы от постоянного тока до частоты среза (полоса пропускания) и ослабляет сигналы более высокой частоты (полоса затухания). За частоту среза f0 (рис. 1 ,б) принимают такую, на которой кривая амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра снижается на 3 дБ (точнее в √2раз). Этот уровень выбирают потому, что при таком изменении напряжения мощность сигнала P=U2/r уменьшается в 2 раза.
Частота среза однозвенного (1-го порядка) RC-фильтра равна f0=1/2πτ, где τ = RC. Его АЧХ очень полога, в полосе затухания спад характеристики — всего 6 дБ на октаву (при изменении частоты в два раза) или 20 дБ на декаду (в десять раз).
Для увеличения крутизны спада можно применять несколько RC-звеньев, включенных последовательно. Для того чтобы звенья не влияли одно на другое, их разделяют буферными повторителями напряжения, как показано на рис. 2, а.
У двузвенного фильтра спад АЧХ будет равен приблизительно 12 дБ/окт, у трехзвенного — 18 дБ/окт, у четырехзвенного — 24 дБ/окт и так далее (рис. 2,б; по вертикальной оси отложены значения нормированного коэффициента передачи). В общем случае АЧХ многозвенного фильтра будет произведением АЧХ его звеньев, а частота среза уменьшится в α = 1/√n√2-1 раз, где n — число звеньев.
На рис. 2, б показано уменьшение частоты среза f0 с увеличением числа звеньев фильтра. В таблице указаны значения а для фильтров с числом звеньев от 2 до 10.
Такой фильтр может быть легко выполнен на любых усилителях с любым коэффициентом усиления (больше и меньше единицы), даже с разным знаком усиления (т. е. с инвертированием или без него). Просто общий коэффициент передачи по напряжению Кu в полосе пропускания будет равен произведению коэффициентов всех звеньев.
Еще одно достоинство такого фильтра — очень "мягкая", без колебаний и выбросов, реакция на скачки уровня входного сигнала.
Если на RC-звеньях строят фильтр не нижних, а верхних частот (рис. 3,а), то частота среза при добавлении каждого звена будет не уменьшаться, а увеличиваться (рис. 3, б), но численное значение коэффициента а остается прежним.
Такое изменение частоты среза необходимо учитывать при проектировании устройства с несколькими ступенями и соответствующим числом разделительных конденсаторов. Если, например, число разделительных конденсаторов равно 10, а нижняя частота среза должна быть равна 20 Гц, то каждый ФНЧ, образованный конденсатором вместе с входным сопротивлением следующей за ним ступени, должен иметь частоту среза примерно 5,4 Гц.
То же относится и к выбору корректирующих конденсаторов ОС, формирующих характеристику ФНЧ. Если таких конденсаторов несколько или имеются RC-цепи между узлами устройства, ограничивающие частотную полосу сверху, частоту среза каждой из них необходимо выбирать выше верхней рабочей частоты всего устройства в целом.