Кіріспе

Электрондық құрылғылар – жиынтық элементтердің электрлік сүзгілері

Электрондық сүзгілер – электрлік схемалар түріндегі сигналды өңдеу сүзгілерінің бір түрі. Бұл мақалада таратылған элементтердің сүзгілерінен гөрі, жиынтық электрондық компоненттерден тұратын сүзгілер қарастырылады. Яғни, талдау кезінде бір нүктеде деп есептелетін компоненттер мен байланыстар қолданылады. Бұл компоненттер дискретті корпустарда немесе интегралды схеманың бөлігі болуы мүмкін. Электрондық сүзгілер қолданылатын сигналдан қажетсіз жиілік компоненттерін жояды, қажеттілерін күшейтеді немесе оның екеуін де жасайды. Олар:

пассивті немесе активті
аналогтық немесе цифрлық
жоғары өткізгішті, төмен өткізгішті, жолақты өткізгішті, жолақты тоқтатушы (жолақты сүзуші; тілікше), немесе барлық өткізгішті.
дискретті уақытты (үлгіленген) немесе үздіксіз уақытты
сызықтық немесе сызықсыз
шексіз импульстік жауап (IIR типі) немесе шекті импульстік жауап (FIR типі) болуы мүмкін.

Электрондық сүзгілердің ең көп таралған түрлері, олардың құрылымының басқа аспектілеріне қарамастан, сызықтық сүзгілер болып табылады. Олардың құрылымы мен талдауы туралы толық мәліметтерді сызықтық сүзгілер туралы мақалада қараңыз.

Тарих

Электрондық сүзгілердің ең көне түрлері – тек кедергілер мен конденсаторларды немесе кедергілер мен индукторларды қолдана отырып құрастырылған пассивті аналогтық сызықты сүзгілер. Бұлар сәйкесінше RC және RL бір полюсті сүзгілер деп аталады. Дегенмен, бұл қарапайым сүзгілердің қолданылуы өте шектеулі. Көпполюсті LC сүзгілері жауап формасын, жолақтың енін және өту жолақтарын жақсырақ бақылауға мүмкіндік береді. Бұл сүзгілердің алғашқысы 1910 жылы Джордж Кэмпбелл ойлап тапқан тұрақты k сүзгісі болды. Кэмпбеллдің сүзгісі – тарату желісі теориясына негізделген сатылы желі. Отто Зобель және басқалар жасаған жақсартылған сүзгілермен бірге, бұл сүзгілер бейне параметрлік сүзгілер деп аталады. Үлкен қадамды Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде желілік синтез саласын қалаған Вильгельм Кауэр жасады. Кауэрдің теориясы белгілі бір жиілік функциясын дәл орындауға мүмкіндік беретін сүзгілерді құруға жол берді.

Пассивті сүзгілер

Сызықтық сүзгілердің пассивті іске асырылуы резисторлардың (R), индукторлардың (L) және конденсаторлардың (C) комбинацияларына негізделген. Бұл типтер жиынтығы пассивті сүзгілер деп аталады, себебі олар сыртқы қуат көзіне тәуелді емес және транзисторлар сияқты активті компоненттерді қамтымайды. Индукторлар жоғары жиілікті сигналдарды тоқтатады және төмен жиілікті сигналдарды өткізеді, ал конденсаторлар керісінше әрекет етеді. Сигнал индуктор арқылы өтетін немесе конденсатор жерге жол ашатын сүзгі, жоғары жиілікті сигналдарға қарағанда төмен жиілікті сигналдарға аз әлсірету көрсетеді, сондықтан ол төмен өткізгіш сүзгі болып табылады. Егер сигнал конденсатор арқылы өтетін болса немесе индуктор арқылы жерге қосылса, онда сүзгі жоғары жиілікті сигналдарға төмен жиілікті сигналдарға қарағанда аз әлсірету көрсетеді, сондықтан ол жоғары өткізгіш сүзгі болып табылады. Резисторлар өздері жиілікті таңдау қасиеттеріне ие емес, бірақ схеманың уақыт тұрақтыларын, демек, оларға жауап беретін жиіліктерді анықтау үшін индукторлар мен конденсаторларға қосылады. Индукторлар мен конденсаторлар сүзгінің реактивті элементтері болып табылады. Элементтердің саны сүзгінің ретін анықтайды. Осы контексте, жолақты өткізгіш немесе жолақты тоқтату сүзгісінде қолданылатын LC-көйлек схемасы екі компоненттен тұрса да, бір элемент ретінде қарастырылады. Жоғары жиіліктерде (шамамен 100 мегагерцтен жоғары), кейде индукторлар бір немесе металл тілімдерінен тұрады, ал конденсаторлар жанындағы металл тілімдерінен құралады. Бұл индуктивті немесе сыйымды металл бөліктері шабақтар деп аталады.

Бір элементтің түрлері

Ең қарапайым пассивті сүзгілер, RC және RL сүзгілері, тек бір реактивті элементтен тұрады, гибридті LC сүзгісінен басқа, ол бір элементте біріктірілген индуктивтілік және сыйымдылық қасиеттерімен ерекшеленеді.

L сүзгісі

L сүзгісі екі реактивті элементтен тұрады, біреуі тізбектей, екіншісі параллель.

T және π сүзгілері

Үш элементті сүзгілер "T" немесе "π" топологиясымен жасалуы мүмкін, және екі геометрияда да төмен өткізгіш, жоғары өткізгіш, жолақты өткізгіш немесе жолақты тоқтату сипаттамаларына қол жеткізуге болады. Компоненттер қажетті жиілік сипаттамаларына сәйкес симметриялық немесе асимметриялық болуы мүмкін. Суретте көрсетілген жоғары өткізгіш T сүзгісі жоғары жиіліктерде өте төмен кедергіге, ал төмен жиіліктерде өте жоғары кедергіге ие. Бұл оны беріліс желісіне енгізуге мүмкіндік береді, нәтижесінде жоғары жиіліктер өткізіліп, төмен жиіліктер кері шағылысады. Сол сияқты, суретте көрсетілген төмен өткізгіш π сүзгісін тарату желісіне қосу арқылы төмен жиіліктерді өткізіп, жоғары жиіліктерді кері шағылыстыруға болады. Дұрыс тоқтау кедергісімен жабдықталған m-туынды сүзгі бөлімдерін қолдану арқылы, кіріс кедергісі өткізу жолағында салыстырмалы түрде тұрақты болады.

Көп элементті типтер

Көп элементті сүзгілер көбінесе сатылы желі түрінде құрастырылады. Оларды сүзгілердің L, T және π схемаларының дамуы ретінде қарастыруға болады. Сүзгінің тоқтату жолағындағы сырғуды немесе өткізу жолағынан тоқтату жолағына өтудің тіктеп тұруын жақсарту сияқты параметрлерін жақсарту үшін көбірек элементтер қажет болады.

Белсенді сүзгілер

Активті сүзгілер пассивті және активті (күшейткіш) компоненттердің үйлесімі арқылы іске асырылады және сыртқы қуат көзіне мұқтаж. Операциялық күшейткіштер активті сүзгілерді жобалауда жиі қолданылады. Олардың Q факторы жоғары болуы мүмкін және индукторларды пайдаланбастан резонансқа қол жеткізуге болады. Дегенмен, олардың жоғарғы жиілік шегі күшейткіштердің өткізу қабілетімен шектеледі.

Басқа сүзгі технологиялары

Электрониканың бөлшектерінен өзге де көптеген сүзгі технологиялары бар. Оларға цифрлық сүзгілер, кристалл сүзгілер, механикалық сүзгілер, беттік акустикалық толқын (SAW) сүзгілері, жұқа пленкалы көлемді акустикалық резонатор (TFBAR, FBAR) негізіндегі сүзгілер, гранат сүзгілері және атомдық сүзгілер (атомдық сағаттарда қолданылады) жатады.

Құрылыс әдістемесі бойынша жіктеу

Тарихи тұрғыдан алғанда, сызықтық аналогты сүзгілерді жобалау үш негізгі бағыт бойынша дамыды. Ең алғашқы жобалар қарапайым тізбектер болды, онда негізгі жобалау шарты тізбектің Q факторы еді. Бұл сүзгілеудің радио қабылдағыштарында қолданылуын көрсетеді, себебі Q – резонаторлық тізбектің жиілік селективтілігінің өлшемі. 1920 жылдардан бастап сүзгілер көбінесе телекоммуникация қажеттіліктерімен шартталған, бейнелік тұрғыдан жобалана бастады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін желілік синтез басым әдіс болып табылды. Алғаш қолданылған жоғары математика полиномдық коэффициенттердің кең кестелерін жариялауды қажет етті, бірақ қазіргі заманғы компьютерлік қуаттар мұны қажетсіз етті.

Тікелей контурды талдау

Төмен реттік сүзгілерді негізгі тізбек заңдарын, мысалы Кирхгофф заңдарын тікелей қолданып, беру функциясын алу арқылы құрастыруға болады. Мұндай талдау көбінесе тек 1-ретті немесе 2-ретті қарапайым сүзгілерге қатысты жүргізіледі.

Сурет импедансын талдау

Бұл тәсіл сүзгі секцияларын сүзгінің бірдей секциялардың шексіз тізбегінде орналасқандығы тұрғысынан талдайды. Оның артықшылықтары – қарапайымдық және жоғары ретке дейін оңай кеңейту мүмкіндігі. Оның кемшілігі – болжамдалған жауаптардың дәлдігі сүзгінің бейне кедергісіне сәйкес аяқталуына байланысты, бірақ бұл көбінесе осылай болмайды.

Желілік синтез

Желілік синтез әдісі қажетті трансферт функциясынан басталады, содан кейін оны сүзгінің кіріс кедергісінің полиномдық теңдеуі ретінде көрсетеді. Сүзгінің нақты элементтері осы полиномның тізбектік бөлшектерге немесе жай бөлшектерге жіктелуі арқылы есептеледі. Имидж әдісінен өзгеше, терминалдарда кедергіні сәйкестендіру желілері қажет емес, себебі терминалдық резисторлардың әсері талдаудың бастапқы кезеңінде ескеріледі. Бұл суретте Бэттерворт, Чебышев және эллипстік сүзгілердің салыстыруы көрсетілген. Суретте көрсетілген сүзгілердің барлығы бесінші реттік төмен өткізгіш сүзгілер. Нақтырақ айтқанда, аналогты немесе цифрлық, пассивті немесе активті жүзеге асырудың өзіндік ерекшелігі маңызды емес; олардың шығысы бірдей болады. Суреттен көрініп тұрғанындай, эллипстік сүзгілер қалғандарына қарағанда тік, бірақ олардың жиілік диапазонында тербелістер байқалады.

Ескертпелер мен сілтемелер

Пассивті сүзгілердің түрлері мен компоненттерінің мәндері каталогы. Электрондық сүзгілерді жобалау бойынша анықтамалық.