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.