طراحی و ساخت فیلترهای Active

فیلترهای Active و Passive

اگر فیلتری مبتنی بر المان های پسیو شامل مقاومت، خازن و سلف باشد، این فیلتر پسیو و در صورتی که علاوه بر این المان ها، المان های فعال مثل آپ-امپ داشته باشد فیلتر اکتیو خواهد بود. آپ امپ ها پروسه طراحی و ساخت فیلترهای فعال را ساده تر می کنند در نتیجه، در اغلب موارد، فیلترهای اکتیو اشاره به فیلترهای مبتنی بر آپ-امپ می باشد.

فیلترهای پسیو ناکارآمد نیستند

باید توجه کرد که فیلترهای اکتیو همیشه بهتر از فیلترهای پسیو نیستند. در واقع بهتر است هر جا که ممکن باشد از فیلترهای پسیو استفاده کرد چون این فیلترها مزایایی دارند:

1- نیازی به انتخاب و استفاده از آپ امپ نیست. انتخاب آپ امپ مناسب نیاز به توجه به ویژگی های آن ها مثل ولتاژ آفست ورودی، پهنای باند، نویز و… است. همچنین اغلب نیاز به تهیه تغذیه dual برای راه اندازی آپ امپ ها می باشد.

2- ابعاد و سادگی مدار در فیلترهای پسیو خیلی بیشتر از فیلترهای اکتیو است.

3- طراحی فیلترهای پسیو سر راست تر از فیلترهای اکتیو است.

مزایای فیلترهای فعال

فیلترهای فعال هم مزایای خود را دارند. اصلی ترین مزیت این فیلترها آن است که امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پایین دارند. بنابراین فیلترهای اکتیو زمانی که منبع سیگنال امپدانس خروجی زیاد دارد و یا زمانی که خروجی فیلتر باید بار با امپدانس کم را درایو کند بسیار مناسب است.
علاوه بر این فیلترهای اکتیو می توانند حالت تقویت کنندگی هم داشته باشند. بنابراین زمانی که سیگنالی علاوه بر فیلتر شدن نیاز به تقویت داشته باشد، فیلتر اکتیو گزینه مناسبی است.

روش های ایجاد فیلترهای مرتبه دوم

برای ساخت فیلترهای مرتبه دوم دو راه وجود دارد. اولین راه اتصال پشت سر هم دو فیلتر مرتبه اول است. فیلتر مرتبه دوم به دست آمده از این روش در کنار سادگی دارای این مشکل است که در حوالی مرز باند گذر و باند قطع پاسخ چندان مناسبی ندارند و به اصطلاح پاسخ تیز ندارند. پاسخ این فیلترها به صورت یک انتقال با شیب کم از ناحیه گذر به ناحیه قطع است که باعث تضعیف زیاد سیگنال در اطراح مرز ناحیه گذر می شود. با توجه به این اشکالات، ساخت فیلتر مرتبه دوم توسط مدارهای انجام می شود که برای این منظور طراحی شده و دارای کمترین تضعیف در ناحیه گذر، پاسخ تیز در فرکانس قطع و پاسخ فازی خطی دارند.

فیلترهای مرتبه دوم پسیو و مشکلات آن ها

فیلترهای مرتبه دوم پسیو نیاز به دو المان ذخیره کننده انرژی دارند تا پاسخ فرکانسی مرتبه دوم ایجاد کنند. بنابراین یک فیلتر مرتبه دوم پسیو شامل یک خازن و یک سلف مشابه شکل زیر است. استفاد از سلف ها در مدارهای الکترونیکی معمولا مطلوب نیست و تا حد امکان از روش های دیگری که نیاز به سلف ندارد استفاده می شود. سلف ها اغلب بزرگ و سنگین هستند و با روندها موجود در بازار الکترونیک که نیاز به مدارهای کوچک و سبک دارد سازگار نیستند. ساخت سلف ها نیز چندان آسان نیست و به طور کلی استفاده از آن ها به آسانی استفاده از خازن نیست.

فیلتر پایین گذر پسیو مرتبه دوم

چگونه فیلترهای بدون نیاز به سلف بسازیم

با توجه به مشکلات سلف ها در مدارهای الکترونیکی مثل فیلترها، یک راه برای جایگزین کردن سلف ها، استفاده از مدارهای معادل سلف است که یک نمونه از آن را در شکل زیر مشاهده می کنید. این مدار توسط Andreas Antoniou طراحی شده است و مانند یک سلف عمل می کند. توجه کنید که این مدار از مقاومت و خازن و آپ-امپ تشکیل شده است.

فیلتر پایین گذر Sallen–Key

یک از انواع فیلترهای مرتبه دوم پایین گذر اکتیو، فیلتر Sallen-Key است که با استفاده از یک آپ-امپ، 2 مقاومت و 2 خازن ساخته می شود. این فیلتر امکان تقویت سیگنال را ندارد. در فرکانس های پایین، سیگنال ورودی بدون تضعیف و به صورت بافر شده به خروجی منتقل می شود. برای درک این موضوع به شماتیک زیر نگاه کنید. در فرکانس های پایین، خازن های مدار را اتصال باز فرض کنید. در این صورت مدار به یک بافر ولتاژ ساده تبدیل می شود که با گین 1 کار می کند. با افزایش فرکانس، امپدانس خازن ها کاهش می یابد و با امپدانس مقاومت ها قابل مقایسه می شوند و مدار به صورت فیلتر پایین گذر عمل می کند. فرکانس قطع این فیلتر در شکل زیر نوشته شده است. این فیلتر سیگنال ورودی را معکوس نمی کند که در برخی از کاربردها یک مزیت محسوب می شود. در صورتی که بخواهید علاوه بر فیلتر کردن سیگنال، عمل تقویت سیگنال هم انجام دهید، می توانید از فیلتر Multiple Feedback که در پست بعدی معرفی شده استفاده کنید.

طراحی فیلتر Sallen-Key

برای طراحی این فیلتر، می توانید از منابع اینترنتی مطالب مورد نیاز را دریافت و مطالعه کنید و خودتان اقدام به طراحی کنید. یک روش دیگر استفاده از ابزارهای طراحی این نوع فیلتر است. به عنوان مثال با استفاده از این سایت می توانید فرکانس قطع مورد نیاز را وارد و فیلتر طراحی شده دریافت کنید یا مشخصات فیلتر طراحی شده را به صورت نمودار و … مشاهده کنید. در تنظیمات سایت، رنج مقاومت و خازن را بر روی E12 قرار دهید. این رنج از مقاومت و خازن ها به راحتی در بازار داخل قابل تهیه هستند.

برای آشنایی با یک نمونه کاربرد این نوع فیلتر و یک ابزار دیگر طراحی دیگر برای این فیلتر، اینجا را مشاهده کنید.

فیلتر پایین گذر Multiple Feedback

در قسمت قبل یک نوع فیلتر پایین گذر تحت عنوان Sallen-Key معرفی شد. دقت کنید هر دو نوع فیلتر اکتیو معرفی شده دارای نوع بالاگذر هم هستند.
فیلتر Multiple Feedback دارای یک مزیت مهم نسبت به فیلتر Sallen-Key است. این مزیت امکان تقویت کردن سیگنال ورودی ضمن فیلتر کردن آن است. بهره ی تقویت کنندگی این فیلتر به راحتی با تنظیم نسبت دو مقاومت تعیین می شود. توجه کنید که گین این فیلتر منفی است و سیگنال ورودی را معکوس می کند. این موضوع ممکن است در برخی از کاربردها مطلوب نباشد و نیاز به معکوس کردن خروجی فیلتر وجود داشته باشد.(مثلا با یک بافر با گین 1-)

طراحی فیتر Multiple Feedback

برای طراحی این فیلتر، می توانید از منابع اینترنتی مطالب مورد نیاز را دریافت و مطالعه کنید و خودتان اقدام به طراحی کنید. یک روش دیگر استفاده از ابزارهای طراحی این نوع فیلتر است. به عنوان مثال با استفاده از این سایت می توانید فرکانس قطع مورد نیاز را وارد و فیلتر طراحی شده دریافت کنید یا مشخصات فیلتر طراحی شده را به صورت نمودار و … مشاهده کنید. در تنظیمات سایت، رنج مقاومت و خازن را بر روی E12 قرار دهید. این رنج از مقاومت و خازن ها به راحتی در بازار داخل قابل تهیه هستند.