آشنایی با فیلترها در الکترونیک

فیلترها در الکترونیک از اجزای ضروری و در مواقعی بسیار حیاتی در مدارهای الکترونیکی هستند که برای کنترل طیف فرکانس سیگنال‌ها ضروری هستند. فیلترها با اجازه دادن انتخابی به فرکانس‌های خاص برای عبور و در عین حال تضعیف فرکانس‌های دیگر، نقش حیاتی در پردازش سیگنال، سیستم‌های ارتباطی، تجهیزات صوتی و بسیاری از کاربردهای دیگر ایفا می‌کنند. این مقاله به بررسی انواع مختلف فیلترهای الکترونیکی، اصول طراحی و کاربردهای متنوع آنها می پردازد.

انواع فیلترها در الکترونیک

فیلترها در الکترونیک را می توان به طور کلی بر اساس ویژگی ها و پاسخ فرکانسی به دسته های زیر طبقه بندی کرد:

فیلترهای پایین گذر (LPF)
فیلترهای بالا گذر (HPF)
فیلترهای باند گذر (BPF)
فیلترهای باند استاپ (BSF) که به عنوان فیلترهای ناچ نیز شناخته می شود
فیلترهای همه گذر (APF)

هر نوع فیلتر هدف خاصی را دنبال می کند و برای کنترل سیگنال ها به روشی خاص طراحی شده است.

1. فیلترهای پایین گذر (LPF)

عملکرد: فیلترهای پایین گذر گذر به سیگنال هایی با فرکانس کمتر از فرکانس قطع مشخص شده اجازه عبور می دهند و در عین حال فرکانس های بالاتر را تضعیف می کنند.

ساختار طراحی :

یک LPF را می توان با استفاده از اجزای غیرفعال (مقاومت ها و خازن ها / سلف ها) یا اجزای فعال (تقویت کننده های عملیاتی) پیاده سازی کرد. ساده ترین شکل فیلتر پایین گذر RC که متشکال از مقاومت  و  خازن است.

فرمول محاسبه فیلتر پایین گذر RC:

 

نمونه کاربرد :

سیستم های صوتی: برای حذف نویز با فرکانس بالا از سیگنال های صوتی.
منابع تغذیه: برای صاف کردن خروجی یکسو کننده ها با فیلتر کردن ریپل AC.
ارتباط داده ها: برای محدود کردن پهنای باند سیگنال ها برای کاهش نویز و تداخل.

 

2. فیلترهای بالا گذر (HPF)

عملکرد: فیلترهای بالاگذر به سیگنال هایی با فرکانس بالاتر از فرکانس قطع مشخص شده اجازه عبور می دهند و در عین حال فرکانس های پایین تر را تضعیف می کنند.

ساختار طراحی:

مشابه LPF ها، HPF ها را می توان با استفاده از اجزای غیرفعال یا فعال ساخت. ساده ترین شکل فیلتر بالاگذر RC است.

فرمول محاسبه فیلتر بالا گذر RC:

 

نمونه کاربرد :

سیستم های صوتی: برای حذف نویزهای فرکانس پایین مانند صداهای اضافی محیطی.
سیستم های تصویربرداری: برای بهبود جزئیات با فرکانس بالا در تصاویر.
سیستم های ارتباطی: برای مسدود کردن ولتاژ های  DC یا تداخل فرکانس پایین.

 

3. فیلترهای باند گذر (BPF)

عملکرد: فیلترهای باند گذر به سیگنال هایی در محدوده فرکانسی خاص (باند) اجازه عبور می دهند در حالی که فرکانس های خارج از این محدوده را تضعیف می کنند.

ساختار طراحی:

BPF ها را می توان با استفاده از ترکیبی از فیلترهای پایین گذر و بالا گذر یا با اجزای تخصصی مانند تشدید کننده های کریستالی طراحی کرد.

فرمول محاسبه فیلتر باند گذر RC:

 

نمونه کاربرد :

ارتباطات رادیویی: برای انتخاب باند فرکانسی مورد نظر و رد سایرفرکانسها.
پردازش صدا: برای جداسازی محدوده های خاصی از فرکانس ها برای یکسان سازی.
تجهیزات پزشکی: برای فیلتر کردن باندهای فرکانسی خاص در سیگنال های زیست پزشکی.

 

4. فیلترهای باند استاپ (BSF) / فیلترهای ناچ

عملکرد: فیلترهای باند استاپ سیگنال‌ها را در محدوده فرکانسی خاص تضعیف می‌کنند در حالی که به فرکانس‌های خارج از این محدوده اجازه عبور می‌دهند.

ساختار طراحی:

اینها را می توان با استفاده از مدارهای LC یا اجزای فعال پیاده سازی کرد. فیلترهای ناچ نوعی فیلتر باند استاپ هستند که برای تضعیف باند فرکانسی بسیار باریک طراحی شده اند.

فرمول محاسبه فیلتر باند استاپ LC:

 

نمونه کاربرد :

مهندسی صدا: برای از بین بردن فرکانس های ناخواسته مانند هوم 50 هرتز برق شهری.
سیستم های ارتباطی: برای مسدود کردن فرکانس های تداخلی خاص.
ابزار دقیق: برای حذف فرکانس های تشدید از سیگنال ها.

 

5. فیلترهای همه گذر (APF)

عملکرد: فیلترهای همه گذر به همه فرکانس ها اجازه عبور می دهند اما رابطه فاز بین فرکانس های مختلف را تغییر می دهند.

ساختار طراحی:

این فیلترها معمولاً با استفاده از تقویت کننده های عملیاتی و اجزای RC پیاده سازی می شوند.

نمونه کاربرد :

تصحیح فاز: برای تنظیم فاز سیگنال ها بدون تأثیر بر دامنه آنها.
پردازش سیگنال: برای ایجاد تاخیر فاز برای اصلاح و یا استخراج سیگنال پیچیده.
مهندسی صدا: برای اصلاح موج اعوجاج ایجاد شده در سیستم های بلندگوی چند تایی و چند طرفه.

 

ملاحظات طراحی فیلترها در الکترونیک

هنگام طراحی فیلترها در الکترونیک، چندین فاکتور برای اطمینان از عملکرد مطلوب باید در نظر گرفته شود:

فرکانس قطع:

فرکانسی که فیلتر شروع به تضعیف سیگنال ورودی می کند. این در تعریف پهنای باند عملیاتی فیلتر بسیار مهم است.

Roll-Off Rate:

نرخی که در آن فیلتر فرکانس های فراتر از قطع را کاهش می دهد. این اغلب با دسی بل در اکتاو (dB/oct) یا دسی بل در هر دهه (dB/dec) اندازه گیری می شود.

Passband Ripple:

تغییرات در پاسخ دامنه در باند عبور. فیلترهایی مانند Butterworth (حداقل ریپل) و Chebyshev (ریپل بیشتر اما قطع تیزتر) ویژگی های متفاوتی دارند.

Stopband Attenuation:

میزان تضعیف در استاپ باند. در کاربردهایی که کاهش قابل توجه نویز را می طلبند، تضعیف بالاتری مورد نیاز است.

حفاظت از فاز سیگنال اصلی:

تغییر فاز سیگنال به عنوان تابعی از فرکانس. در کاربردهایی مانند پردازش صدا، حفظ یکپارچگی فاز مهم است.

کاربردهای عملی فیلترها در الکترونیک

فیلترها در الکترونیک مدرن تقریبا در همه جا وجود دارند و کاربردهای گسترده ای دارند. در زیر چند نمونه را بیان میکنیم :

سیستم های صوتی:

اکولایزرها:

از فیلترهای band-pass و band-stop متعدد برای تنظیم باندهای فرکانسی مختلف استفاده کنید.

متقاطع:

از فیلترهای پایین گذر و بالا گذر برای هدایت محدوده فرکانس های مختلف به بلندگوهای مناسب (مانند ووفر و توییتر) استفاده کنید.

سیستم های ارتباطی:

انتخاب کانال:

فیلترهای باند گذر کانال های ارتباطی مورد نظر را در رادیوها و فرستنده ها جدا می کنند.

کاهش نویز:

فیلترهای پایین گذر و بالا گذر نویزهای ناخواسته را از سیگنال ها حذف می کنند.

منابع تغذیه:

فیلتر ریپل:

فیلترهای کم گذر موج های AC را از منابع تغذیه DC صاف می کنند.

جلوگیری از تداخل فرکانس بالا:

فیلترهای بالاگذر تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا را مسدود می کنند.

تجهیزات پزشکی:

الکتروکاردیوگرام (ECG):

فیلترهای باند گذر فرکانس سیگنال قلب را ایزوله می کنند، نویز عضلانی و تداخل خطوط برق را از بین می برند.

اولتراسوند:

فیلترهای بالا گذر سیگنال های اولتراسوند با فرکانس بالا را برای وضوح تصویر بهتر افزایش می دهند.

ابزار دقیق:

آماده سازی سیگنال:

فیلترها با حذف نویز و فرکانس های ناخواسته سیگنال ها را برای اندازه گیری دقیق آماده می کنند.

حلقه های قفل فاز (PLL):

فیلترهای کم گذر در PLL ها سنتز و مدولاسیون فرکانس پایدار را تضمین می کنند.

 

همانطور که بیان شد ، فیلترها در الکترونیک جزو قسمت های  اساسی در مدارهای الکترونیکی هستند که برای کنترل و شکل دادن به ویژگی های فرکانس سیگنال ها  استفاده شده و وجود آنها بسیار ضروری میباشد. از فیلترهای ساده RC گرفته تا فیلترهای فعال پیچیده، هر نوع در کاربردهای مختلف اهداف خاصی را دنبال می کند. درک اصول و طراحی این فیلترها مهندسان را قادر می سازد تا هر گونه پردازش سیگنال را بدست خود گرفته ، عملکرد سیستم را بهبود بخشند و از قابلیت و صحت عملکرد دستگاه های الکترونیکی اطمینان حاصل کنند.