فیلترهای الکترونیکی – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

فیلتر، مداری است که برای اصلاح، تغییر شکل یا حذف بخشی از فرکانس‌های ناخواسته یک سیگنال الکتریکی یا همه آن‌ و عبور سیگنال‌های مورد نظر به‌کار می‌رود. به عبارت دیگر، فیلترها، سیگنال‌های ناخواسته را فیلتر می‌کنند و یک فیلتر ایده‌آل، سیگنال‌های ورودی سینوسی مورد نظر را جدا کرده و از خود عبور می‌دهد. در کاربردهای فرکانس پایین (تا 100kHz)، فیلترهای پسیو معمولاً از مدارهای RC (مقاومت-خازن) ساخته می‌شوند، در حالی که فیلترهایی با فرکانس بالاتر (بیشتر از 100kHz)، معمولاً از مدارهای RLC (مقاومت-سلف-خازن) تشکیل می‌شوند.

فیلترهای پسیو (Passive filters)، از اجزای پسیوی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها تشکیل می‌شوند و عناصر تقویت‌کننده‌ای مانند ترانزیستور، تقویت‌کننده و... ندارند. بنابراین، بهره‌ای نیز ندارند و سطح خروجی آن‌ها همیشه کمتر از ورودی است.

فیلترها بر اساس محدوده فرکانس‌هایی از سیگنال‌ها نام‌گذاری می‌شوند که اجازه عبور به آن‌ها می‌دهند. فیلترهای متداول به شرح زیر هستند:

• فیلتر پایین گذر (Low Pass Filter):‌ این فیلتر، فقط اجازه عبور سیگنال‌های فرکانس پایین از 0Hz تا فرکانس قطع $$f_c$$‌ را می‌دهد و سیگنال‌هایی با فرکانس بالاتر را مسدود می‌کند.
• فیلتر بالا گذر (High Pass Filter):‌ این فیلتر، فقط اجازه عبور سیگنال‌های فرکانس بالا از فرکانس قطع $$f_c$$‌ تا فرکانس بی‌نهایت را می‌دهد و سیگنال‌هایی با فرکانس پایین‌تر را مسدود می‌کند.
• فیلتر میان گذر (Band Pass Filter):‌ این فیلتر، سیگنال‌هایی را عبور می‌دهد که فرکانس آن‌ها در یک باند فرکانسی بین دو نقطه مشخص است و سیگنال‌هایی با فرکانس‌های غیر از بین آن دو نقطه را مسدود می‌کند.

یک فیلتر پسیو مرتبه اول ساده را می‌توان با اتصال سری یک مقاومت و یک خازن ساخت که ولتاژ ورودی $$V_{IN}$$ به آن‌ها اعمال شده و خروجی $$V_{OUT}$$ از نقطه اتصال آن‌ها گرفته می‌شود. بسته به اینکه مقاومت یا خازن را به‌عنوان خروجی در نظر بگیریم، فیلتر می‌تواند بالاگذر یا پایین گذر باشد.

از آن‌جایی که کار هر فیلتر، عبور سیگنال‌هایی با باند فرکانسی مشخص و تضعیف یا حذف سیگنال‌هایی با فرکانس غیر از آن باند است، می‌توان مشخصه پاسخ دامنه یک فیلتر ایده‌آل را با استفاده از منحنی پاسخ فرکانسی ایده‌آل چهار نوع فیلتر اساسی به‌شکل زیر نشان داد:

فیلترها را می‌توان به دو دسته مجزا تقسیم کرد: فیلتر اکتیو (Active filter) و فیلتر پسیو (Passeive filter). فیلترهای اکتیو، شامل قطعات تقویت‌کننده هستند که قدرت سیگنال را افزایش می‌دهند، در حالی که فیلترهای پسیو، این قطعات را در مدار خود ندارند. از آن‌جایی که دو عنصر پسیو در طراحی فیلتر پسیو RC وجود دارد، سیگنال خروجی، دامنه‌ای کمتر از سیگنال ورودی متناظر خواهد داشت، بنابراین، فیلترهای RC پسیو، سیگنال را تضعیف می‌کنند و بهره آن‌ها کمتر از یک است.

یک فیلتر پایین گذر می‌تواند ترکیبی از خازن، سلف و مقاومت باشد که در فرکانس‌های بالاتر از یک مقدار مشخص، سیگنال‌ها را تضعیف می‌کند و در فرکانس‌های پایین‌تر از آن، سیگنال‌ها را تضعیف نمی‌کند. این مقدار فرکانس که فیلتر، قبل و بعد از آن، عملکرد متفاوتی دارد، فرکانس قطع (Cut-off frequency) یا فرکانس گوشه (Corner frequency)‌ نامیده می‌شود.

در آموزش بعدی، درباره فیلتر پایین گذر پسیو به تفصیل بحث خواهیم کرد.

اگر مطالب بیان شده برای شما مفید بوده و علاقه‌مند به یادگیری مباحث مرتبط با آن هستید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای برق و الکترونیک
• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی برق
• آموزش الکترونیک ۳
• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• عناصر پسیو در مدارهای الکتریکی — آشنایی به زبان ساده

^^