فیلترهای الکترونیکی

فیلترهای الکترونیکی:

مدارهای الکترونیکی هستند که اعمال پردازش سیگنال را انجام می دهند، بویژه هنگامی که می خواهیم سیگنال های ناخواسته عناصر را از بین ببریم و / یا آنکه می‌خواهیم آن‌ها (سیگنال‌های ناخواسته. مترجم) را افزایش دهیم.
فیلترهای الکترونیکی می توانند به صورت زیر باشند:
فعال یا غیر فعال
آنالوگ یا دیجیتال
گسستگی زمانی یا پیوستگی زمانی
خطی یاغیر خطی
واکنش نامتناهی ضربه (نوع IIR) یا واکنش متناهی ضربه (نوع FIR)

انواع رایج فیلترها (صرف نظر از جنبه های دیگر طراحی‌‌ آنها) فیلترهای خطی هستند. این مقاله که در مورد جزئیات طراحی و آنالیز فیلترهای خطی است را مشاهده کنید.
1مقدمه
2طبقه بندی به وسیله تکنولوژی
2.1فیلترهای غیر فعال
2.1.1 انواع عنصر یگانه
2.1.2L فیلتر
2.1.3 T فیلتر
2.1.4 π فیلتر
2.1.5 انواع عنصر چندگانه
2.2 فیلترهای فعال
2.3 فیلترهای دیجیتال
2.4 سایر فناوری های فیلتر
2.4.1 فیلترهای کوارتز و فیزوالکتریک ها (ویژگى برخى کریستالها که به هنگام اعمال ولتاژ به انها تحت فشار قرار مى گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکى یک ولتاژ تولید مى کنند. مترجم)
2.4.2 فیلترهای SAW
2.4.3 فیلترهای BAW
2.4.4 فیلترهای Garnet
2.4.5 فیلترهای اتمی
3 تابع انتقال
4 طبقه بندی به وسیله تابع انتقال
5 طبقه بندی به وسیله توپولوژی (مکان شناسی)
6 طبقه بندی به وسیله طراحی علم اصول
6.1 آنالیز (تجزیه و تحلیل) مستقیم مدار
6.2 تجزیه و تحلیل امپدانس تصویر
6.3 شبکه پیوند
7 بیشتر بدانید
8 لینک های خارجی و منابع


مقدمه:
قدیمی ترین فورم فیلتر های الکترونیکی فیلترهای خطی آنالوگ غیر فعال هستند، که فقط استفاده از مقاومت ها و خازن ها یا مقاومت ها و سلف ها را ایجاد می کند. که آنها به ترتیب به نام فیلترهای تک قطبی  RC و RL  معروف هستند. بیشتر فیلتر های LC چند قطبی پیچیده سال های زیادی وجود داشتند، عملکرد چنین فیلترهایی به خوبی از کتاب های زیادی که در این مورد نوشته شده قابل درک است.
هم چنین فیلترهای هیبرید ساخته شده اند،  به طور نمونه شامل ترکیب آمپلی فایرها (تقویت کننده ها)ی با تشدید کننده های مکانیکی یا تاخیر خطی است. قطعات دیگر مثل خطوط تاخیر CCD هم‌چنین به عنوان فیلترهای با گسستگی زمانی به کار می‌روند. با دسترسی پردازش دیجیتالی سیکنال، فیلترهای دیجیتالی فعال عمومی شدند.

فیلترهای غیر فعال:
اجرای غیرفعال فیلترهای خطی مبنی بر ترکیب مقاومت ها R))، سلف ها (L) و خازن ها (C) است. این فیلترها را به طور کلی فیلترهای غیرفعال می دانیم، به این دلیل که آنها  روی منبع تغذیه بیرونی بستگی ندارند.
سلف ها از مسیر سیگنال های با فرکانس های بالا جلوگیری می کنند و سیگنال های فرکانس پایین را عبور می دهند، در حالی که خازن ها عکس سلف عمل می کنند. فیلتری که سیگنال در آن از طریق یک سلف عبور می‌کند، یا آن‌که در آن یک خازن مسیری به زمین فراهم می کند، سیگنال های فرکانس پایین را نسبت به فرکانس های بالا کمتر تضعیف می کند که به آن فیلتر پایین گذر می گوییم. اگر سیگنالی از طریق یک خازن عبور کند، یا این‌که از طریق سلف زمین شود،‌ آن وقت فیلتر سیگنال های فرکانس بالا را نسبت به  سیگنال های فرکانس پایین کمتر تضعیف می کند که به آن فیلتر بالا گذر می گوییم. مقاومت ها به خودی خود مشخصات فرکانسی قابل انتخاب ندارند، اما به سلف ها و خازن ها به منظور تعیین ثابت زمانی مدار و به تبع پاسخ فرکانسی، اضافه می‌شوند.
در فرکانس های خیلی بالا (در حدود 100MH)، گاهی اوقات سلف ها از سیم‌پیچ‌های تک‌حلقه‌ای یا نوارهای ورق فلزی تشکیل می‌شوند ، و خازن ها از ورقه‌های فلزی نزدیک به هم تشکیل می‌شوند. به این قطعات فلزی سلفی یا خازنی تحلیل بردن  می‌گویند. 
سلف ها و خازن ها عنصرهای واکنش پذیر فیلتر هستند. شماری از عناصر فیلتر قدیمی را تعیین می کند. در این زمینه، مدار میزان شده LC‌ در فیلتر میان گذر یا میان نگذر به عنوان استفاده تک عنصر حتی اگر از دو جزء تشکیل شده باشد مطرح شده است.

انواع عنصر یگانه:
ساده ترین فیلترهای غیر فعال از یک عنصر یگانه راکتیو تشکیل شده اند. این فیلترها توسط عناصر RC, RL یا RLC ساخته شده اند.
ضریب کیفیت Q‌ اندازه ای است که برای توصیف ساده فیلترهای میان گذر یا میان نگذر استفاده می شود. وقتی گفته می شود فیلتری ضریب کیفیت بالایی دارد به این معنی است که دامنه فرکانسهای با پهنای باندکم برابر با فرکانس میانی است.

فیلتر L:
از دو عنصر، یکی به طور سری و دیگری به طور موازی تشکیل شده است.

فیلتر T:
پیکربندی سه عنصره در فیلترهای نوع T می تواند فیلترهای پایین گذر، بالا گذر، میان گذر یا میان نگذر را بسازد.



فیلتر π:
پیکربندی سه عنصره در فیلترهای نوع T می تواند فیلترهای پایین گذر، بالا گذر، میان گذر یا میان نگذر را بسازد.



انواع عنصر چندگانه :
فیلترهای عنصر چندگانه معمولا به صورت شبکه پله ای ساخته می شوند. این فیلترها می‌تواند به صورت ساختارهای L ، T و π مشاهده شود. وقتی که می‌خواهیم برخی پارامترهای فیلتر مانند سرعت انتقال از باند میان‌گذر به میان‌نگذر را بهبود ببخشیم به عناصر بیشتر نیاز است.
فیلترهای فعال :
فیلترهای فعال با استفاده از ترکیبی از اجزا غیر فعال و فعال (تقویت کردن)، اجرا می شوند و به یک منبع تغذیه بیرونی نیاز دارند. تقویت کننده ها مکررا در طراحی های فیلتر فعال استفاده می شوند. آنها می توانند ضریب کیفیت بالایی داشته باشند و می‌توانند بدون استفاده از سلف هم به رزونانس برسند. هر چند، حد بالایی فرکانس های آنها به وسیله ی پهنای باند تقویت کننده هایی که  استفاده می شوند،‌ محدود است .
فیلترهای دیجیتال:
به کمک پردازش دیجیتالی سیگنال می‌توانیم در محدوده‌ی وسیعی فیلترهای متنوع باصرفه ای بسازیم. سیگنال نمونه می گیرد و مبدل آنالوگ به دیجیتال، سیگنال را به سیلی (تعداد زیادی. مترجم) از شماره‌ها تغییر می‌دهد. یک برنامه رایانه مداوم روی یک CPU یا یک DSP مخصوص (یا مدامت کمتر روی سخت افزار انجام الگوریتم) بازده شمارش جریان را محاسبه می کند. این جریان می تواند تبدیل شود به یک سیگنال زودگذر میان مبدل دیجیتال به آنالوگ. مسائلی وجود دارند با نویز را با تغییر نشان می دهد، اما این می تواند کنترل کند برای فیلترهای خیلی مفید. به علت نمونه برداری مورد بحث، سیگنال ورودی باید مقدار فرکانس محدود باشد یا نا همواری رخ دهد. فیلتر دیجیتال را مشاهده کنید.



سایر تکنولوژی های فیلتر

فیلترهای کوارتز و فیزوالکتریک ها:
اواخر دهه‌ی 1930، مهندسان دریافتند سیستم های کوچک مکانیکی که از مواد غیر قابل انعطاف ساخته شده‌اند، همچون کوارتز در فرکانس‌های رادیویی به طور صوتی تشدید می‌شوند. مثلا از فرکانس‌های قابل شنیدن (صوت) تا حد چندین هزار مگا هرتز. بعضی از نخستین تشدیدکننده‌ها از استیل ساخته شده‌بودند، اما کوارتز به سرعت مورد توجه واقع شد. بزرگترین برتری کوارتز،‌ خاصیت فیزوالکتریکی آن است. یعنی تشدید کننده های کوارتز می توانند مستقیماً حرکت مکانیکی خود را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کنند. هم چنین کوارتز ضریب انبساط حرارتی خیلی پایینی دارد به این مفهوم که تشدید کننده های کوارتزی می توانند فرکانس‌های با ثبات در یک رنج حرارتی بالا تولید کنند. ضریب کیفیت فیلترهای بلور کوارتز خیلی بالاتر از فیلترهای LCR است. هنگامی که پایداری‌های بالاتر مورد نیاز است، کریستال‌ها و مدارهای راه‌انداز آن‌ها می‌تواند به منظور کنترل درجه حرارت روی یک کوره کریستال سوار شوند. برای فیلترهای با باند خیلی کم،  بعضی اوقات چند کریستال به طور سری به کار گرفته می‌شوند.
مهندسان دریافتند که تعداد زیادی از کریستال‌ها می توانستند در یک عنصر واحد به وسیله نصب بخارهایی از فلز به شکل شیارهای کم‌عمق روی کریستال کوارتز جمع شوند. در این طرح، "خط تاخیری ضربه" فرکانس های مطلوب را به عنوان امواج صوتی‌ای که در طول سطح کریستال کوارتز جریان می‌یابد، تقویت می‌کند. خط تاخیری ضربه برنامه کلی ساخت فیلترهای Q‌بالا به شیوه‌های مختلف زیاد است.

فیلترهای SAW:

SAW (موج صوتی سطحی/ظاهری) فیلترهایی هستند که به طور معمول در دستگاه های الکترومکانیکی که در فرکانس رادیویی به کاربرد برده می شود استفاده می شوند. سیگنال های الکتریکی در یک کریستال فیزوالکتریک تبدیل به موج مکانیکی می شوند، این موج به تاخیر افتاده ، قبل از آنکه به وسیله الکترودهای بیشتر تبدیل به سیگنال الکتریکی شود سرتاسر کریستال پخش/منتشر می شود. انرژی های خروجی موج به تاخیر افتاده که ترکیب نشده هستند اجرا مستقیم آنالوگ واکنش ضربه متناهی فیلتر را تولید می کند. این شیوه پالایش/فیلترینگ هیبرید در یک نمونه آنالوگ فیلتر پیدا شد. فرکانس های فیلترهای SAW  تا حد 3GHz محدود هستند. 

فیلترهای BAW:

فیلترهای BAW (موج صوتی پر حجم) فیلترهای الکترومکانیکی هستند. این فیلترها در وضعیت گشتاور چرخشی هستند. فیلترهای BAW می توانند در فیلترهای شبکه ای یا پله ای به کار روند. فیلترهای BAW کوچکتر از فیلترهای SAW به نظر می آیند، و در فرکانس های بالای 16GHz می توانند عمل کنند.

فیلترهای Garnet:

روش دیگر فیلترینگ، در فرکانس های میکرو ویو (موج خیلى کوچک الکترومغناطیسى) از 800MHz تا حدود 5GHz، از ترکیب یک حوزه Garnet
 آهن ایتریم استفاده می شود که توسط ترکیب شیمیایی ایتریم و آهن ساخته می شود(YIGF یا فیلتر Garnet  آهن ایتریم). Garnet روی یک باریکه ای از فلز رانده شده به وسیله یک ترانزیستور ، و یک آنتن حلقوی کوچک در تماس با بالای کره عمل می کند. فرکانسی که gernet عبور می دهد را یک آهنربای الکتریکی تغییر می دهد. مزیت این روش این است که garnet می تواند گذشته از پهنای فرکانسی زیاد به وسیله شدت حوزه مغناطیسی مختلف تنظیم شود.

فیلترهای اتمی:

برای فرکانس های بالاتر و دقت بیشتر، از ارتعاش های اتمی بیشتر استفاده می شود. ساعت های اتمی در میزرهای (تقویت امواج میکروویو -مترجم) سزیم برای بالا بردن ضریب کیفیت استفاده می شود تا ورودی اسیلاتورهایشان را به حالت موازنه درآورند. روش دیگری که در بالا آشنا شدید، فرکانس های خیلی ضعیف سیگنال های رادیویی را ثابت می کند، که مورد استفاده یک میزر( تقویت امواج میکروویو) ruby اتصال وسط خط تاخیر است.

تابع انتقال:

تابع انتقال H(s)یک فیلتر نسبت سیگنال خروجی Y(s) به سیگنال ورودی X(s) است به اندازه تابع مختلط فرکانسی s است.



تابع انتقال همه فیلترهای ثابت زمانی خطی عموما از ویژگی های معینی تشکیل می شوند:
   از آنجایی که فیلتر ها از اجزا جدا از هم ایجاد می شوند، تابع انتقال آنها از نسبت دو چند جمله ای /چند فورمولی S و i.e در یک تابع منطقی S درست می شود. ترتیب انجام کار تابع انتقال بالاترین توان S برخورد صورت کسر یا مخرج هر یک از آنها خواهد بود.
   همه ی چند جمله ای های تابع انتقال ضرایب واقعی دارند. بنابراین، هر یک از قطب ها و صفرهای تابع انتقال واقعی یا اتفاقی باشند جفت آنها به طور مختلط باهم در می آمیزند.
   از آنجایی که پایداری فیلترها فرضی است، عضو حقیقی قطب ها (i.e. صفرهای مخرج) منفی/معکوس خواهد شد، i.e. آنها نصف سطح چپ در فضای فرکانسی مختلط تمام می شود.
چنانکه ساختمان یک تابع انتقال شامل تبدیل لاپلاس شود، و بنابراین به در دست گرفتن شرایط خروجی صفر/اولیه خنثی احتیاج دارد، به دلیل این که:

و وقتی f(0)=0 مقادیر ثابت را پاک کنیم و از عبارت معمول استفاده کنیم

پیچیدگی رفتار فیلتر در توابع انتقالی متناوب شرح داده می شود. این نظریه پیچیده، تبدیل لاپلاس ، ضامن تعادل تابع انتقال است.

طبقه بندی به وسیله تابع انتقال:

فیلترها می توانند به وسیله خانواده و گذر باند تعیین شوند. خانواده‌ی فیلتر به وسیله طراحی برخی معیارها معین می شود که به صورت متداول برای معلوم کردن تابع انتقال فیلتر انجام می شود. برخی از خانواده های رایج فیلترها و معیارهای طراحی ویژه آنها به شکل زیر هستند:
   فیلتر Butterworth – بدون حرکت موجی در عبور باند و قطع باند، قطع جریان آهسته
   فیلتر Chebyshev (نوع یک)- بدون حرکت موجی در قطع باند، قطع جریان تاخیر دهنده
   فیلتر Chebyshev (نوع دو)- بدون حرکت موجی در عبور باند، قطع جریان تاخیر دهنده
   فیلتر Bessel - تاخیر گروهی موج دار شدن، بدون حرکت موجی در هر دو باند، بهره قطع جریان آهسته
   فیلتر Elliptic (بیضی) - تقویت حرکت موجی در عبور و قطع باند، قطع جریان سریع
   فیلتر حد مطلوب “L”
   فیلتر  Gaussian
   فیلتر کسینوسی
به طور کلی، هر خانواده از فیلترها می تواند با یک شیوه مشخص تعیین شود. بهترین شیوه، بیشتر فیلترها به حالت ایده آل فیلتر خواهند رسید. حالت ایده آل فیلتر انتقال کامل عبور باند، و تضعیف کامل درمتوقف کردن باند را دارد ، و انتقال بین دو باند ناگهانی است (اغلب به آن brick-wall می گویند).
اینجا یک عکس برای مقایسه‌ی بین فیلترهای Butterworth، Chebyshev و elliptic (بیضی) است. این فیلترها در این تصویر همه، پنجمین مرتبه در فیلترهای پایین گذر هستند. به کار گرفتن ویژه آنها – آنالوگ یا دیجیتال، فعال یاغیر فعال بودن –  تفاوتی را ایجاد نمی کند: خروجی همه‌ی آنها مثل هم است.

به طوری که با شفاف کردن تصویر، فیلترهای بیضی نسبت به بقیه آنها تیز تر هستند، اما آنها حرکات موجی در حیطه‌ی پهنای باند را نشان می دهند.
هر خانواده می تواند برای معلوم کردن یک گذر باند ویژه که برای انتقال فرکانس ها، هنگامی که در توقف باند (i.e. خروجی گذر باند) کمابیش تضعیف می شوند، استفاده شود.
   فیلتر پایین گذر- فرکانس های پایین را عبور می دهد، فرکانس های بالا تضعیف شده اند.
   فیلتر بالا گذر – فرکانس های بالا را عبور می دهد، فرکانس های پایین تضعیف شده اند.
   فیلتر میان گذر – فقط فرکانس هایی که در یک باند فرکانسی هستند را عبور می دهد .
   فیلتر میان نگذر – فقط فرکانس هایی که در یک باند فرکانسی تضعیف شده اند.
   فیلتر همه گذر – همه فرکانس هایی که عبور می کنند، اما فاز خروجی اصلاح شده است.
خانواده و گذر باند یک فیلتر به طور کامل تابع انتقال یک فیلتر را معلوم می کند. تابع انتقال به طور کامل رفتار فیلتر خطی را تعیین می کند، اما تکنولوژی مخصوصی را که برای اجرا آن استفاده می شود معلوم نمی کند. به عبارت دیگر، راه های مختلفی برای دستیابی یک تابع انتقال ویژه وقتی یک مدار طراحی می کنیم وجود دارد. فیلتر گذر باند مخصوص می تواند به وسیله انتقال یک دسته نمونه اولیه فیلتر فراهم شود.

طبقه بندی به وسیله توپولوژی (وضعیت):

فیلترهای الکترونیکی می توانند به وسیله تکنولوژی مورد استفاده که در انها به کار می رود طبقه بندی شوند. فیلترهای استفاده کننده تکنولوژی فیلتر فعال و فیلتر غیرفعال است بیشتر طبقه بندی به وسیله وضعیت ویژه فیلتر الکترونیکی است که آنها به کار می برند.
هر داده تابع انتقال فیلتر شاید در هر وضعیت فیلتر الکترونیکی به کار برده شود.
برخی وضعیت‌های رایج مدار عبارتند از:
             وضعیت Cauer – غیر فعال
             وضعیت Sallen Key – فعال
             وضعیت چند گانه فیدبک– فعال
             وضعیت ناپایدار – فعال
             وضعیت دو مجذوری فیلتر  biquad– فعال

طبقه بندی به وسیله روش شناسی طرح:

از نظر تاریخی، طراحی فیلتر آنالوگ خطی (با گذر) از طریق سه رویکرد عمده تحول یافته‌است. قدیمی‌ترین طراحی‌ها از مدارهای ساده‌ای بودند که مهم ترین معیار طراحی شان، ضریب کیفیت در مدار بود. کاربرد گیرنده‌های رادیویی فیلترینگ را به عنوان اندازه فرکانسی انتخابی مدار متغیر عمل می کرد. تقریبا از دهه‌ی 1920 طراحی فیلترها از دیدگاه تصویر و راه اندازی آن بر تکیه بر نیاز‌های برقراری ارتباط از راه دور آغاز شد. بعد از جنگ جهانی دوم روش شناسی ترکیب شبکه غالب شد. ریاضیدانان بزرگ برای بدست آوردن مقادیر ضریب چند جمله ای به جدول نیاز داشتند اما امروزه با وجود رایانه این عمل غیرضروری است.

آنالیز هدایت مدار:

فیلترهای کم رتبه (با انرژی ضعیف- مترجم) می توانند مستقیما به وسیله اتصال مدار ساده از قانون هایی مثل قانون های کیرشهف برای بدست آوردن تابع انتقال طراحی شوند. این حد آنالیز معمولا فقط برای فیلترهای ساده رتبه 1st یا 2nd (نئودیمیم) انجام می شود.

تصویر آنالیز امپدانس:

این رویکرد بخش های فیلتر را از دیدگاه تسلسل بخش‌های یگانه بررسی می کند. که از امتیازات سادگی این دیدگاه توانایی آسان سازی آن گسترش دستورات بالاتر است. از معایب آن نیز می توان به دقت پیش بینی پاسخها بر روی فیلتری که در امپدانس تصویر پایان می پذیرد نام برد، که این هم معمولا اهمیت خاصی ندارد.


ترکیب شبکه‌ای:

ترکیب شبکه که ابتدا با تابع انتقال شروع شد و سپس به عنوان معادله چند جمله ای امپدانس داخلی فیلتر بیان شد. ارزش عنصر واقعی فیلتر این است که با تداوم کسر کل یا بخشی از آن که با توسعه چندجمله ای همراه است. اگر چه روش تصویر، نیازمند تطبیق شبکه ای در پایانه ها نمی باشد اما تاثیرات پایانه ای مقاومت شامل تحلیل آن همراه شروع شدن آن است.