の バンドパスフィルター 他の周波数でこれらの信号を分離しても、信号が 2 つの特定の周波数の間で供給できるようになります。これらのタイプのバンドパス フィルターにはさまざまなタイプがあります。バンドパス フィルター設計の一部は、外部電源とアクティブ コンポーネントを使用して作成されます。アクティブBPFと呼ばれるトランジスタおよび集積回路。同様に、一部のフィルタは、パッシブ BPF と呼ばれる、電源とインダクタやコンデンサなどの受動コンポーネントを利用します。これらのフィルターはワイヤレス送信機および受信機に適用できます。
送信機の BPF は、出力信号の帯域幅を必要最小限のレベルに制限し、理想的な速度と形式でデータを送信するために使用されます。同様に、受信機内のこのフィルターを使用すると、不要な周波数の信号を除去しながら、優先周波数レベル内の信号をデコードできます。受信機の S/N 比はバンドパス フィルターを通じて最適化されます。この記事では、 アクティブバンドパスフィルター 。
アクティブバンドパスフィルターとは何ですか?
バンドパスフィルターの一種で、次のようなアクティブコンポーネントを使用します。 オペアンプ 、抵抗とコンデンサとともにフィルターを形成するものは、アクティブ バンド パス フィルターとして知られています。これらのバンドパス フィルターは、外部電源を必要としますが、フィルター処理に加えて入力信号を増幅します。
このバンドパス フィルターは、下図に示すように、HPF、アンプ、LPF をカスケード接続して設計されています。 HPF と LPF の間のアンプ回路は絶縁を提供し、全体の電圧ゲインを提供します。両方のフィルタのカットオフ周波数値は、変動を最小限に抑える必要があります。この変動が極めて小さい場合、ローパスステージとハイパスステージの間で相互作用が発生する可能性があります。したがって、増幅回路が必要となる。これらのカットオフ周波数を適切なレベルにする必要があります。
アクティブバンドパスフィルターの動作原理
アクティブ バンドパス フィルターは、ある範囲の周波数 (つまり、フィルターの通過帯域または帯域幅) の上または下の周波数を減衰することによって機能します。その帯域通過範囲内の周波数を持つ信号はすべてフィルターを通過します。バンドパスの外側にある周波数はすべて低減または減衰されます。
アクティブバンドパスフィルター設計
アクティブバンドパスフィルタ回路を以下に示します。この回路は、個別のローパスおよびハイパスパッシブフィルターを一緒にカスケード接続することによって設計できます。広い通過帯域を含む、「品質係数」の低いタイプのフィルターが得られます。アクティブバンドパスフィルタの一次段は、主電源からの DC バイアスをブロックするためにコンデンサを利用するハイパス段です。
この回路設計には、ローパス応答を示す一方、残りの半分がハイパス応答を示す一方、かなり平坦な非対称の通過帯域周波数応答を生成するという利点があります。
高いコーナーポイント「fH」と低いコーナー周波数カットオフポイント「fL」は、通常の 1 次 LPF および HPF 回路で以前と同じように計算されます。
LPF ステージと HPF ステージ間の相互作用を避けるために、2 つのカットオフ ポイント間に適度な距離を置く必要があります。アンプは、2 つのフィルタ段間の絶縁を提供して、フィルタ回路の全体的な電圧ゲインを記述するのに役立ちます。したがって、フィルター帯域幅は、上位と下位の -3dB ポイント間の差となります。アクティブ BPF の正規化された周波数応答と位相シフトは次のようになります。
周波数応答
上記のパッシブ同調フィルター回路が BPF として動作する場合、帯域幅はかなり広くなります。これは、小さな帯域で周波数を分離したい場合に問題になる可能性があります。アクティブバンドパスフィルタは、反転オペアンプを使用して設計することもできます。
したがって、フィルター内の抵抗とコンデンサの位置を再編成することで、より優れたフィルター回路を生成できます。アクティブ BPF の下限カットオフ -3dB ポイントは「fC1」で指定され、上限カットオフ -3dB ポイントは「fC2」で指定されます。
上記のフィルターには、HPF と LPF の 2 つの中心周波数があります。の ハイパスフィルタ 中心周波数は、LPF の中心周波数と比較して低くする必要があります。
BPF の中心周波数は、次のような上限と下限のカットオフ周波数の幾何平均です。 fr2 = fH x fL。
アクティブ BPF のゲインは 20 log (Vout/Vin) dB/Decade です。
振幅応答は、LPF 応答と HPF 応答に関連します。応答曲線は主にカスケード フィルターの次数に依存します。
Qファクター
アクティブバンドパスフィルターの上部と下部の -3dB コーナーポイントの間の実際の通過帯域の全体の幅が、回路の Q ファクターを決定します。 Q ファクターの値が低いほど、フィルターの帯域幅は広くなります。結果として、Q ファクターが高くなるほど、フィルターは狭くなります。
場合によっては、アクティブ バンドパス フィルターの Q 係数はギリシャ記号「α」で示され、アルファ ピーク周波数と呼ばれます。
α = 1/Q
アクティブ BPF の「Q」は、「fr」（中心共振周波数）付近のフィルターの応答の「鋭さ」に関係するため、フィルターには次のような特性があるため、これはダンピングファクター（または）ダンピング係数としても知られています。減衰が大きいほど、フィルターの応答は平坦になります。フィルターの減衰が少なく、フィルターの応答がより鋭くなっています。
減衰比はギリシャ文字「ξ」で表されます。
ξ = a/2
アクティブ バンド パス フィルターの品質係数は、-3dB の高い周波数と低い周波数の間の fr (共振周波数) と BW (帯域幅) の比です。
アクティブバンドパスフィルターの種類
アクティブ バンド パス フィルターには 2 つのタイプがあります。広帯域フィルタと狭帯域フィルタについては後述します。
ワイドバンドパスフィルター
品質係数 (Q) 値が 10 未満の場合、通過帯域は広く、より広い帯域幅が得られます。したがって、この BPF は広帯域パス フィルターとして知られています。広帯域フィルタでは、高域カットオフ周波数は低域カットオフ周波数に比べて大きくなければなりません。
まず、信号は HPF を通過します。このフィルターの出力信号は無限大になり、最後に LPF に与えられます。この LPF は、高周波信号をローパスします。
HPF が LPF を介してカスケード接続されると、単純な BPF が得られます。このフィルターを理解するには、LPF 回路と HPF 回路の順序が類似している必要があります。
1 つの 1 次 LPF と HPF をカスケード接続すると、2 次 BPF が得られます。 2 つの 1 次 LPF と 2 つの HPF をカスケード接続することにより、4 次 BPF を形成します。
このカスケード接続により、回路の品質係数値は低くなります。 1 次 HPF 内のコンデンサは、i/p 信号からの DC バイアスをブロックします。
両方のストップバンドで、2 次フィルターの場合、ゲインのロールオフは 10 年あたり ± 20 dB です。 LPF と HPF は 1 次のみでなければなりません。
同様に、2 つのフィルターが 2 次である場合は常に、両方のストップバンドでのゲイン ロールオフは約 ± 40dB/Decade です。
表現：
バンドパス フィルターの電圧ゲインの式は次のように与えられます。
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
これは、LPF と HPF の両方の個別のゲインによって達成されるため、両方のフィルターのゲインは次のように与えられます。
HPFの電圧利得
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
LPFの電圧利得
Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
Amax = Amax1 * Amax2
ここで、「Amax1」は HPF ステージのゲイン、「Amax2」ははLPFステージのゲインです。
広帯域フィルタの応答を以下に示します。
ナローバンドパスフィルター
品質係数の値が 10 より大きい場合、通過帯域は狭くなり、通過帯域の帯域幅も狭くなります。したがって、このフィルターは狭帯域通過フィルターとして知られています。
このフィルタは、オペアンプなどのアクティブ コンポーネントを 2 つではなく 1 つだけ使用します。この回路で使用されているオペアンプは反転構成です。このフィルタのオペアンプのゲインは、「fc」の中心周波数で最大になります。
狭帯域通過フィルタ回路を以下に示します。入力はオペアンプの反転入力端子に提供され、オペアンプは反転構成として知られています。この狭い BPF 回路は狭い BPF 応答を提供します。
このフィルタ回路の電圧ゲインは AV = – R2 / R1 です。
このフィルタ回路のカットオフ周波数は次のとおりです。
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
長所と短所
の アクティブバンドパスフィルターの利点 以下のものが含まれます。
- このフィルターは、優先周波数範囲の信号の送信または送信に役立ち、エネルギーの節約に役立ちます。
- このバンドパス フィルターは、2 つの周波数範囲間の信号をフィルター処理するのに役立ちます。
アクティブバンドパスフィルターの欠点は次のとおりです。
- アクティブバンドパスフィルターは、望ましい周波数範囲のみを通過させます。
- 特に狭い帯域幅で使用する場合には、過度に制限される可能性があります。そのため、かなりの周波数成分が失われ、サウンドが空洞になったり薄く感じられたりすることになります。
- これらのフィルターは高価です。
- これらのフィルターには複雑な制御システムがあります。
- 周波数の範囲は限られています。
アプリケーション
アクティブバンドパスフィルターの用途には次のようなものがあります。
- アクティブバンドパスフィルターは、次のような多くの光学アプリケーションで使用されます。光変調による衛星通信、電気通信およびデータ転送。
- これらのフィルターは、20 Hz ～ 20 kHz の可聴範囲の周波数を分離するためにオーディオ機器で使用されます。
- アクティブ BPF は無線通信システムで使用され、不要な信号とノイズを除去して通信の卓越性を高めます。
- これらのフィルタは、EDF リング レーザーのチューニングと高速モード ロックに使用されます。
- このタイプの BPF は、EDF 超蛍光光源の O/P スペクトルを平準化するために使用されます。
- このフィルタは、無線通信システムの信号送信機および信号受信機で使用されます。
- これらは、ステレオ システム、分散スピーカー システム、ドルビー ミュージック システムなどの現在のオーディオ システムで使用されています。
- このタイプのフィルターは、オーディオ イコライザー回路、レーザー、 ライダー & SONAR 通信システム。
- これは、ECG などの医療機器や神経科学でデータを収集および分析するために使用されます。
アクティブバンドパスフィルターはどこで使用されますか?
アクティブ バンドパス フィルターは電気通信分野で使用され、モデムや音声処理の 0 kHz ～ 20 kHz のオーディオ周波数範囲内でも使用されます。これらはワイヤレス送信機と受信機で一般的に使用されます
アクティブバンドパスフィルターとパッシブバンドパスフィルターの違いは何ですか?
アクティブ フィルターは電源で動作しますが、パッシブ フィルターは電源を必要としません。パッシブ フィルターの出力は負荷に応じて変化しますが、アクティブ フィルターは接続された負荷に関係なく性能を維持します。
バンドパスフィルターの伝達関数は何ですか?
バンドパス フィルターの動作は、伝達関数を使用して数学的に説明できます。これは、フィルターの入力信号と出力信号を接続する複雑な関数です。したがって、T.F は H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω) で求められます。
フィルター伝達関数とは何ですか?
フィルター伝達関数は、そのインパルス応答の Z 変換です。分子と分母の両方に二次方程式全体が含まれます。これは、ローパス、ハイパス、単一周波数ノッチおよび帯域阻止の実現特性を実装するためのベースを提供します。
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z)。
したがって、これはアクティブな活動の概要です。 バンドパスフィルター、回路、動作 、種類、用途など。アクティブバンドパスフィルターは、特定の範囲の周波数を選択的に通過させ、他の周波数を減衰させる電子回路内の重要なコンポーネントです。これらのフィルターには、高精度やゲインなどのいくつかの利点があります。アクティブ BPF は一般的に次の用途で使用されます。 通信システム また、ラジオ受信機のように安定性と高精度が必要な信号処理ベースのアプリケーションにも使用できます。これらは、オーディオ、生体医工学、無線通信などのさまざまな用途に使用されます。ここで質問がありますが、パッシブバンドパスフィルターとは何ですか?
