Фильтр нижних частот в усилителе¶
Фильтр нижних частот (LPF, low-pass filter) — это электронный фильтр, пропускающий сигналы с частотой ниже определённого порога (среза) и ослабляющий или подавляющий сигналы с более высокими частотами. Аббревиатура LPF расшифрывается как Low-Pass Filter. В усилителях звуковой частоты, радиопередатчиках и усилителях мощности LPF применяется для ограничения полосы пропускаемого сигнала, подавления паразитных колебаний и высокочастотных помех, а также для формирования спектра излучаемого сигнала.
¶Принцип работы
LPF основан на реактивных элементах — конденсаторах и катушках индуктивности. Конденсатор имеет низкое сопротивление на высоких частотах, а катушка — на низких. Соединяя эти элементы определённым образом, получают цепь, которая пропускает низкочастотную составляющую сигнала и шунтирует или отражает высокочастотную.
Основной параметр фильтра — частота среза (f_cut), при которой уровень сигнала снижается на 3 дБ относительно полосы пропускания. Частота среза для простейшей RC-цепи (резистор-конденсатор) определяется формулой:
f_cut = 1 / (2π · R · C)
где R — сопротивление резистора в омах, C — ёмкость конденсатора в фарадах.
¶Виды LPF
По амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) фильтры нижних частот подразделяются на:
- Фильтр Баттерворта — максимально пологая АЧХ в полосе пропускания, без пульсаций (риппеля). Наиболее распространён в звуковой аппаратуре.
- Фильтр Чебышёва — более крутой склон на границе полосы, но с пульсациями АЧХ в полосе пропускания.
- Фильтр Эллиотта (Бесселя) — линейная фазовая характеристика, минимальные искажения формы сигнала.
- Фильтр Кауэра (эллиптический) — самый крутой срез, но с пульсациями и в полосе пропускания, и в полосе подавления.
По порядку (числу реактивных элементов) различают фильтры первого, второго, третьего и более высоких порядков. Чем выше порядок, тем круче переход от полосы пропускания к полосе подавления, но тем сложнее схема и тем сильнее возможны фазовые искажения.
По конструктивной реализации LPF делятся на пассивные (только на конденсаторах и катушках) и активные (с использованием операционных усилителей), а также на цифровые, реализуемые алгоритмами в процессорах.
¶Применение LPF в усилителях
¶В усилителях звуковой частоты
В тракте усилителей звуковой частоты LPF используется для ограничения полосы воспроизводимых частот. Человеческое ухо слышит сигналы примерно в диапазоне 20 Гц — 20 кГц, поэтому фильтр с частотой среза 20–30 кГц позволяет убрать ультразвуковые составляющие, которые не воспринимаются слухом, но могут вызывать межмодовые искажения в усилителе мощности и нагружать динамик ненужной энергией.
В схемах с обратной связью LPF может быть встроен в контур ООС для предотвращения самовозбуждения усилителя на высоких частотах. Также фильтры нижних частот применяются в разделительных каскадах, кроссоверах акустических систем (вместе с фильтрами верхних частот HPF) и в цепях коррекции АЧХ.
¶В усилителях радиочастоты и передатчиках
В радиопередающих устройствах LPF критически важен. Усилитель мощности радиочастоты генерирует не только несущую частоту, но и высшие гармоники, которые могут выходить в эфир и создавать помехи другим радиослужбам. Фильтр нижних частот, настроенный на частоту, превышающую несущую, подавляет эти гармоники до допустимого уровня.
В передатчиках средней и коротковолновой диапазонов LPF устанавливается на выходе усилителя мощности. Типовые требования нормативов (например, Правила радиосвязи в РФ) ограничивают уровень паразитных излучений на 40–60 дБ ниже несущей, что требует применения фильтров как минимум третьего-пятого порядка.
¶В усилителях постоянного тока
В усилителях постоянного тока LPF может применяться для подавления высокочастотных помех и наводок, а также для ограничения полосы усиливаемого сигнала в измерительной аппаратуре.
¶Основные характеристики
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Частота среза | Частота, на которой уровень сигнала падает на 3 дБ |
| Полоса пропускания | Диапазон частот от 0 до частоты среза |
| Полоса подавления | Диапазон частот, в котором сигнал ослаблен |
| Глубина подавления | Величина ослабления сигнала в полосе подавления, дБ |
| Порядок фильтра | Число реактивных элементов, определяет крутизну среза |
| Волновое сопротивление | Характеристика для согласования с нагрузкой (в пассивных LC-фильтрах) |
¶Реализация
В простейшем виде LPF представляет собой RC-цепь: последовательный резистор и параллельный конденсатор на выходе. Такой фильтр первого порядка ослабляет сигнал на 6 дБ на октаву выше частоты среза. Для более крутого среза используют каскадные RC-цепи, LC-фильтры или схемы с операционными усилителями (активные фильтры Саллен-Ки).
В цифровых усилителях и процессорах LPF реализуется программно — с помощью алгоритмов фильтрации (например, фильтров с конечной импульсной характеристикой — FIR, или с бесконечной — IIR).
Источники:
- Рыжов Ю. И. «Электроника: учебное пособие»
- Гончаренко С. Н. «Радиотехника: справочник»
- Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники»
- Правила радиосвязи Российской Федерации (Приказ Минцифры России)