13.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНОГО ФИЛЬТРА ПО ТРЕБОВАНИЯМ К ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ
Рассмотрим процедуру выбора параметров пассивного фильтра по заданным значениям
Da и amin. При неравномерности амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания
Da = 3 дБ имеем e =
1. Поэтому
= 1/(1 + w2n), а
= 1/[1 + T2n(w)]. Степень полинома n определяют по заданному значению минимального ослабления в полосе задерживания
amin. Пусть в полосе задерживания при частотах w
> 2,5 задано требование amin = 20 дБ, отвечающее ослаблению выходного сигнала фильтра в 10 раз. Степень
n порядок фильтра с максимально плоской характеристикой, обеспечивающей такое ослабление, найдем из условия 1/(1 + 2,52n) £
0,01, откуда n ³ 2,51, т. е. требуемая степень ослабления достигается при
n = 3. При равноколебательной характеристике фильтра такое же ослабление обеспечивает более простая схема 2-го порядка, поскольку
1/[1 + T22(2,5)] = 1/[1 + (2×
2,52 – 1)2]= 0,0075 < 0,01.
Для определения параметров выбранной схемы фильтра записывают выражение передаточной функции K(jw) рассматриваемой схемы и находят квадрат ее модуля K2(w2). Приравнивание соответствующих коэффициентов знаменателей передаточной и аппроксимирующей функций K2 и H2 при одинаковых степенях w2 дает систему алгебраических уравнений, из которой находят параметры элементов схемы фильтра.
Проиллюстрируем этот этап на примере схемы фильтра 3-го порядка, включающей две катушки и конденсатор (рис. 13.7). Выберем ее параметры из условия реализации максимально плоской характеристики.
Сначала получим
выражение для передаточной функции через
параметры цепи. При нагрузке фильтра на
сопротивление Zн = R для
напряжений на участках цепи имеем ,
а
.
Поэтому токи в ветвях равны:
,
а
. Напряжение
на выходе фильтра определим как сумму
Подставляя
в это выражение ранее найденные значения İ1
и
, получим для передаточной функции
фильтра:
или после приведения подобных членов
.
Квадрат модуля полученной функции запишем в виде
Это выражение приравниваем к квадрату модуля аппроксимирующей функции максимально плоского фильтра 3-го порядка, который при переходе к размерной частоте w = w*wc принимает вид
.
Равенство коэффициентов при соответствующих степенях w позволяет получить систему трех уравнений для определения трех параметров схемы фильтра L1, L2 и C
Подстановка членов во второе уравнение (показаны стрелками) позволяет найти значение wc(L1 + L2)/R = 2. Далее из последнего уравнения определяем L1C = 2/wc2. После подстановки этого значения в первое уравнение получим: wcL2 = R/2. Далее легко определим все остальные параметры из последних равенств: wcL1 = 3R/2; 1/(wcC) = 3R/4.
Очевидно, подобная процедура определения параметров пассивных фильтров высокого порядка весьма громоздка. Однако эти вычисления имеют стандартный характер и выполнены практически для всех разновидностей характеристик и схем фильтров различного порядка. Их результаты, приводимые в форме таблиц в справочной литературе по расчету фильтров, позволяют по заданным требованиям к неравномерности характеристик Da в полосе пропускания и затуханию amin в полосе задерживания определить параметры выбранной схемы.
Задача определения параметров упрощается для активных фильтров с каскадной структурой, в которых передаточные функции отдельных каскадов не влияют друг на друга и нет необходимости рассматривать всю многозвенную структуру фильтра как единое целое.