מסנן פס פעיל: מעגל, סוגים, תגובת תדר, Q Factor, יתרונות ויישומיו

ה מסנן פס פס מאפשר לאותות לספק בין שני תדרים מסוימים, למרות שמפריד אותות אלה בתדרים אחרים. סוגים אלה של מסנני פס פס זמינים בסוגים שונים; חלק מעיצוב מסנן הפס-פס עשוי עם מתח חיצוני ורכיבים פעילים כמו; טרנזיסטורים, ומעגלים משולבים, הנקראים BPF פעיל. כמו כן, מסננים מסוימים מנצלים כל מקור כוח ורכיבים פסיביים כגון משרנים וקבלים, הנקראים BPF פסיבי. מסננים אלה ישימים במשדרים ומקלטים אלחוטיים.

BPF במשדר משמש להגבלת רוחב הפס של אות המוצא לרמה הנמוכה ביותר הנדרשת והעברת נתונים במהירות ובצורה האידיאלית. באופן דומה, מסנן זה במקלט מאפשר לפענח את האותות ברמת תדר מועדפת, תוך היעדרות מאותות בתדרים מיותרים. יחס S/N של מקלט מותאם באמצעות מסנן פס פס. מאמר זה מספק מידע קצר על א מסנן פס פעיל .

מהו מסנן Active Band Pass?

סוג של מסנן פס העושה שימוש ברכיבים פעילים כמו מגבר תפעולי , יחד עם נגדים וקבלים ליצירת המסנן ידוע בתור מסנן פס פעיל. מסנני פס פס אלו מגבירים את אות הכניסה בנוסף לסינון, למרות שהם זקוקים למקור מתח חיצוני.

מסנן פס מעבר זה מתוכנן על ידי שילוב של HPF, מגבר ו-LPF כפי שמוצג באיור למטה. מעגל המגבר בין HPF ל-LPF מספק בידוד ומספק רווח מתח כולל. יש לשמור על ערכי תדר החיתוך של שני המסננים על ידי וריאציה מינימלית. אם וריאציה זו קטנה ביותר, אז יש סיכוי לאינטראקציה בין שלבי המעבר הנמוך והמעבר הגבוה. לכן, נדרש מעגל הגברה. לקבל את הרמות הנכונות של תדרי הניתוק הללו.

עקרון העבודה של מסנן מעבר פס פעיל

מסנן פס פס פעיל פועל על ידי הנחתת תדרים מעל או מתחת לטווח של תדרים (כלומר פס מעבר או רוחב הפס של המסנן). כל אות עם תדר בטווח פס פס זה עובר פשוט דרך המסנן. כל תדר שנמצא מחוץ לפס הפס מופחת או מוחלש.

עיצוב מסנן פס פעיל

מעגל מסנן הפס הפעיל מוצג להלן. ניתן לעצב מעגל זה על ידי שילוב מסננים פסיביים נפרדים במעבר נמוך ומעבר גבוה יחדיו. הוא נותן מסנן מסוג 'פקטור איכות' נמוך המכיל פס מעבר רחב. השלב הראשוני של מסנן מעבר הפס הפעיל הוא שלב המעבר הגבוה המנצל את הקבל לחסימת כל הטיית DC מהמקור הראשי.

לתכנון מעגל זה יש את היתרון של יצירת תגובת תדר פס-מעבר א-סימטרית שטוחה למדי דרך חצי בודד המסמל את תגובת המעבר הנמוך ואילו החצי הנותר מסמל תגובת מעבר גבוה.

נקודת הפינה הגבוהה 'ƒH' ונקודת החיתוך של תדר הפינה התחתונה 'ƒL' מחושבות כמו קודם במעגלי LPF ו-HPF רגילים מסדר ראשון.

יש צורך בהפרדה סבירה בין שתי נקודות הניתוק כדי למנוע כל אינטראקציה בין שלבי ה-LPF וה-HPF. המגבר מסייע במתן בידוד בין שני שלבי הסינון כדי לתאר את רווח המתח הכולל של מעגל המסנן. לכן, רוחב הפס של המסנן הוא הפער בין נקודות גבוהות ונמוכות יותר -3dB. תגובת התדר המנורמלת ושינוי פאזה של BPF פעיל יהיו כדלקמן.

תגובת תדר

כאשר מעגל המסנן המכוונן הפסיבי לעיל פועל כ-BPF, אז רוחב הפס יכול להיות רחב למדי. זו עלולה להיות בעיה אם אנו רוצים להפריד בין תדרים עם פס קטן. ניתן לעצב מסנן פס-פס אקטיבי גם עם מגבר הפעלה הפוך.

לפיכך, על ידי ארגון מחדש של מיקומי הנגדים והקבלים במסנן, נוכל ליצור מעגל סינון טוב בהרבה. נקודת החתך הנמוכה -3dB מצוינת ב-'ƒC1' עבור BPF פעיל בעוד שנקודת החתך הגבוהה -3dB מצוינת ב-'ƒC2'.

למסנן הנ'ל יש שני תדרים מרכזיים HPF ו-LPF. ה לעבור סינון גבוה התדר המרכזי צריך להיות נמוך יותר בהשוואה לתדר המרכזי של ה-LPF.

התדר המרכזי של BPF הוא הממוצע הגיאומטרי של תדרי חיתוך עליונים ותחתונים כמו; fr2 = fH x fL.

הרווח של ה-BPF הפעיל הוא 20 לוג (Vout/Vin) dB/Decade.

תגובת המשרעת קשורה לתגובות LPF ו-HPF. עקומת התגובה תלויה בעיקר בסדר המסנן המדורג.

Q Factor

הרוחב הכולל של פס המעבר בפועל בין נקודות הפינה העליונות והתחתונות של -3dB של מסנן המעבר הפעיל קובע את גורם ה-Q של המעגל. ערך גורם Q נמוך יותר ואז רוחב הפס של המסנן רחב יותר. כתוצאה מכך, גורם ה-Q גבוה יותר, המסנן צר יותר.

לפעמים, גורם ה-Q של מסנן מעבר הפס הפעיל מסומן בסמל היווני 'α' ונקרא תדר שיא אלפא.

α = 1/Q

מכיוון שה-'Q' של BPF פעיל מתייחס ל'חדות' התגובה של המסנן סביב ה-'ƒr' שלו (תדר התהודה המרכזי) אז זה יכול להיות ידוע גם כ-Demping Factor (או) Demping Coefficient מכיוון שלמסנן יש יותר שיכוך ואז למסנן יש תגובה שטוחה יותר. לפילטר יש פחות שיכוך, תגובת המסנן חדה יותר.

יחס השיכוך מצוין בסמל היווני 'ξ'

ξ = a/2

גורם האיכות של מסנן פס פעיל הוא היחס בין ƒr (תדר תהודה) ל-BW (רוחב פס) בין התדרים הגבוהים והנמוכים יותר של -3dB.

סוגי מסנני פס פעילים

ישנם שני סוגים של מסנני פס פעילים; מסנן מעבר פס רחב ומסנן מעבר פס צר אשר נדון להלן.

מסנן מעבר פס רחב

אם ערך גורם האיכות (Q) נמוך מעשרה, פס המעבר הוא רחב, ואז הוא נותן לנו את רוחב הפס הגדול יותר. אז BPF זה ידוע בתור Wide Band Pass Filter. במסנן מעבר פס רחב, תדר הניתוק הגבוה צריך להיות גדול יותר בהשוואה לתדר הניתוק הנמוך יותר.

ראשית, האות עובר דרך ה-HPF, אות המוצא של הקובץ הזה ישטה לאינסוף אשר ניתן ל-LPF בסוף. LPF זה יעביר נמוך את האות בתדר הגבוה יותר.

בכל פעם שה-HPF מועבר דרך LPF, ניתן להשיג את ה-BPF הפשוט. כדי להבין את המסנן הזה, סדר מעגלי ה-LPF וה-HPF צריך להיות דומה.

שילוב של LPF אחד מסדר ראשון ו-HPF מספק לנו את ה-BPF מסדר שני. על ידי צירוף שני LPFs מסדר ראשון עם שני HPFs יוצרים BPF מסדר רביעי.

בגלל מדורג זה, המעגל נותן ערך גורם באיכות נמוכה. הקבל בתוך HPF מסדר ראשון חוסם כל הטיית DC מאות i/p.

בשתי פסי העצירה, הרווח מתגלגל הוא ± 20 dB לעשור במקרה של מסנן מסדר שני. ה-LPF וה-HPF חייבים להיות רק בסדר ראשון.

באופן דומה, בכל פעם ששני המסננים נמצאים בסדר השני, ביטול הרווח בשני פסי העצירה הוא בערך ± 40dB/עשור.

ביטוי:

הביטוי עבור רווח מתח מסנן פס-פס ניתן כ:

Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²

זה מושג על ידי הרווחים האינדיבידואליים של LPF ושל HPF, כך ששני הרווחים של המסנן ניתנים כ;

רווח מתח עבור HPF

Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]

רווח מתח עבור LPF

Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]

Amax = Amax1 * Amax2

כאשר 'Amax1' הוא הרווח של שלב HPF & 'Amax2; הוא הרווח של שלב ה-LPF.

תגובת מסנן רחב פס מוצגת להלן.

מסנן מעבר פס צר

אם ערך גורם האיכות גבוה מעשרה, פס המעבר יהיה צר ורוחב הפס של פס המעבר קטן גם כן. אז מסנן זה ידוע בשם Narrow Band Pass Filter.

מסנן זה משתמש רק ברכיב פעיל אחד כמו op-amp במקום שניים. מגבר ההפעלה המשמש במעגל זה הוא בתצורת הפוך. רווח ה-Op-amp במסנן זה הוא מקסימלי בתדר המרכזי 'fc'.

מעגל מסנן הפס הצר מוצג להלן. הקלט מסופק למסוף הקלט ההפוכה של מגבר ההפעלה ואז המגבר הפעיל ידוע בתור בתצורת היפוך. מעגל BPF צר זה נותן תגובת BPF צר.

רווח המתח של מעגל מסנן זה הוא AV = – R2 / R1

תדרי הניתוק של מעגל מסנן זה הם;

fC1 = 1 / (2π*R1*C1)

fC2 = 1 / (2π*R2*C2)

יתרונות וחסרונות

ה היתרונות של מסנן פס פעיל כלול את הבאים.

• מסנן זה מסייע בשליחת או שידור אות טווח תדרים מועדף, ובכך הוא מסייע בחיסכון באנרגיה.
• מסנן פס פס זה מסייע בסינון אותות בין שני טווחי תדרים.

החסרונות של מסנני פס-פס פעילים כוללים את הדברים הבאים.

• מסנן פס פעיל מאפשר לעבור רק טווח מועדף של תדרים.
• הם יכולים להיות מגבילים מדי, במיוחד בכל פעם שמשתמשים בהם עם רוחב פס צר. אז זה גורם לאיבוד תוכן תדר משמעותי כדי לגרום לצליל להרגיש חלול או דק.
• מסננים אלו יקרים.
• למסננים אלו מערכת בקרה מורכבת.
• יש להם טווח תדר מוגבל.

יישומים

היישומים של מסנני פס פעילים כוללים את הדברים הבאים.

• מסנן פס פס פעיל משמש ביישומים אופטיים רבים כמו; תקשורת לוויינית, טלקומוניקציה והעברת נתונים באפנון אור.
• מסננים אלו משמשים בציוד שמע לבידוד תדרים הנמצאים בטווח השמיעה מ-20 הרץ עד 20 קילו-הרץ.
• BPF פעיל משמש במערכות תקשורת אלחוטיות כדי לסנן אותות ורעש לא רצויים כדי לשפר את מצוינות התקשורת.
• מסננים אלה משמשים בכוונון ובנעילת מצב מהיר של לייזרים טבעתיים של EDF.
• סוג זה של BPF משמש כדי ליישר את ספקטרום o/p של מקורות EDF סופר ניאון.
• מסנן זה משמש במשדר האותות ובמקלט האותות במערכת תקשורת אלחוטית.
• אלה משמשים במערכות שמע קיימות כמו מערכת הסטריאו, מערכות רמקולים מבוזרות, מערכת Dolby Music וכו'.
• סוג זה של מסנן משמש לבקרת תדרים במעגלי אקולייזר אודיו, LASER, LIDAR & מערכות תקשורת SONAR.
• זה משמש במכשירים רפואיים כמו ECG ובמדעי המוח כדי לאסוף ולנתח נתונים.

היכן משתמשים במסנן Active Band Pass?

מסנן המעבר הפס הפעיל משמש בתחום התקשורת ומשמש גם בטווח תדרי האודיו מ-0 קילו-הרץ עד 20 קילו-הרץ עבור מודמים ועיבוד דיבור. אלה משמשים בדרך כלל במשדרים ומקלטים אלחוטיים

מה ההבדל בין מסנן מעבר פס פעיל לפסיבי?

מסננים אקטיביים פועלים עם מקור כוח ואילו מסננים פסיביים אינם זקוקים למקור חשמל. פלט המסנן הפסיבי משתנה עם העומס בעוד שהמסנן האקטיבי שומר על ביצועיו ללא קשר לעומס המחובר.

מהי פונקציית ההעברה של מסנן פס פס?

ניתן לתאר באופן מתמטי את התנהגות מסנן הפס-פס עם פונקציית העברה. זוהי פונקציה מורכבת המחברת את אותות הקלט והיציאה של המסנן. אז ה- T.F ניתן על ידי H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).

מהי פונקציית העברת מסננים?

פונקציית העברת המסנן היא טרנספורמציה Z של תגובת הדחף שלו. הוא כולל משוואות ריבועיות שלמות בתוך המונה והמכנה. הוא מספק את הבסיס ליישום מאפייני מימוש של מעבר נמוך, מעבר גבוה, חריץ בתדר אחד ודחיית פס.

Y(z) = H(z)X(z) =(h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).

לפיכך, זוהי סקירה כללית של הפעילים מסנן פס פס, מעגל, עובד , סוגים ויישומים. מסנני פס-פס פעילים הם רכיבים חשובים בתוך מעגלים אלקטרוניים כדי להעביר טווח מסוים של תדרים באופן סלקטיבי תוך הנחתה של אחרים. מסננים אלה מספקים מספר יתרונות כמו דיוק ורווח גבוהים. BPFs פעילים משמשים בדרך כלל ב מערכות תקשורת כמו גם יישומים מבוססי עיבוד אותות בכל מקום שבו נחוצים יציבות ודיוק גבוה כמו במקלטי רדיו. אלה משמשים במגוון יישומים, אודיו, הנדסה ביו-רפואית ותקשורת רדיו. הנה שאלה בשבילך, מהו מסנן פס פסיבי?