सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर: सर्किट, प्रकार, आवृत्ति प्रतिक्रिया, क्यू फैक्टर, लाभ और इसके अनुप्रयोग

बंदपास छननी सिग्नलों को दो विशेष आवृत्तियों के बीच आपूर्ति करने की अनुमति देता है, भले ही इन संकेतों को अन्य आवृत्तियों पर अलग करता है। इस प्रकार के बैंडपास फ़िल्टर विभिन्न प्रकारों में उपलब्ध हैं; बैंडपास फ़िल्टर का कुछ डिज़ाइन बाहरी शक्ति और सक्रिय घटकों जैसे; ट्रांजिस्टर, और एकीकृत सर्किट, जिन्हें सक्रिय बीपीएफ कहा जाता है। इसी तरह, कुछ फिल्टर किसी भी शक्ति स्रोत और निष्क्रिय घटकों जैसे इंडक्टर्स और कैपेसिटर का उपयोग करते हैं, जिन्हें निष्क्रिय बीपीएफ कहा जाता है। ये फ़िल्टर वायरलेस ट्रांसमीटर और रिसीवर में लागू होते हैं।

ट्रांसमीटर में बीपीएफ का उपयोग आउटपुट सिग्नल की बैंडविड्थ को न्यूनतम आवश्यक स्तर तक सीमित करने और आदर्श गति और रूप में डेटा संचारित करने के लिए किया जाता है। इसी तरह, एक रिसीवर में यह फिल्टर एक पसंदीदा आवृत्ति स्तर के भीतर संकेतों को डिकोड करने की अनुमति देता है, जबकि अनावश्यक आवृत्तियों पर संकेतों से अनुपस्थित रहता है। एक रिसीवर का एस/एन अनुपात एक बैंडपास फिल्टर के माध्यम से अनुकूलित किया जाता है। यह आलेख एक पर संक्षिप्त जानकारी प्रदान करता है सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर .

एक्टिव बैंड पास फ़िल्टर क्या है?

एक प्रकार का बैंडपास फ़िल्टर जो सक्रिय घटकों का उपयोग करता है जैसे कि ऑपरेशनल एंप्लीफायर , फिल्टर बनाने के लिए प्रतिरोधों और कैपेसिटर के साथ एक सक्रिय बैंड पास फिल्टर के रूप में जाना जाता है। ये बैंडपास फ़िल्टर फ़िल्टरिंग के अलावा इनपुट सिग्नल को बढ़ाते हैं, हालाँकि उन्हें बाहरी शक्ति स्रोत की आवश्यकता होती है।

यह बैंड पास फ़िल्टर एक एचपीएफ, एक एम्पलीफायर और एक एलपीएफ को कैस्केडिंग करके डिज़ाइन किया गया है जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। एचपीएफ और एलपीएफ के बीच एम्पलीफायर सर्किट अलगाव प्रदान करता है और समग्र वोल्टेज लाभ प्रदान करता है। दोनों फ़िल्टरों की कट-ऑफ़ आवृत्ति मानों को कम से कम भिन्नता द्वारा बनाए रखा जाना चाहिए। यदि यह भिन्नता अत्यंत छोटी है, तो निम्न पास और उच्च पास चरणों के बीच परस्पर क्रिया की संभावना है। इसलिए, एक प्रवर्धक सर्किट की आवश्यकता है। इन कट-ऑफ आवृत्तियों का सही स्तर होना।

सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर कार्य सिद्धांत

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर आवृत्तियों की एक श्रृंखला (यानी, पासबैंड या फ़िल्टर की बैंडविड्थ) के ऊपर या नीचे आवृत्तियों को क्षीण करके काम करता है। उस बैंडपास रेंज में आवृत्ति वाला कोई भी सिग्नल केवल फिल्टर के माध्यम से गुजरता है। बैंडपास के बाहर की कोई भी आवृत्ति कम या क्षीण हो जाती है।

सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर डिज़ाइन

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर सर्किट नीचे दिखाया गया है। इस सर्किट को अलग-अलग लो-पास और हाई-पास पैसिव फिल्टर को एक साथ कैस्केडिंग करके डिजाइन किया जा सकता है। यह एक कम 'गुणवत्ता-कारक' प्रकार का फ़िल्टर देता है जिसमें एक व्यापक पास बैंड होता है। सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर का प्राथमिक चरण उच्च पास चरण है जो मुख्य स्रोत से किसी भी डीसी पूर्वाग्रह को अवरुद्ध करने के लिए संधारित्र का उपयोग करता है।

इस सर्किट डिज़ाइन में एकल आधे के माध्यम से काफी सपाट असममित पास बैंड आवृत्ति प्रतिक्रिया उत्पन्न करने का लाभ होता है जो कम पास प्रतिक्रिया को दर्शाता है जबकि शेष आधा उच्च पास प्रतिक्रिया को दर्शाता है।

उच्च कोने वाले बिंदु 'ΒH' और निचले कोने की आवृत्ति कट-ऑफ बिंदु 'ΒL' की गणना सामान्य प्रथम-क्रम एलपीएफ और एचपीएफ सर्किट में पहले की तरह ही की जाती है।

एलपीएफ और एचपीएफ चरणों के बीच किसी भी तरह की बातचीत से बचने के लिए दो कट-ऑफ बिंदुओं के बीच उचित अलगाव आवश्यक है। एम्पलीफायर फ़िल्टर सर्किट के समग्र वोल्टेज लाभ का वर्णन करने के लिए दो फ़िल्टर चरणों के बीच अलगाव प्रदान करने में मदद करता है। इसलिए, फ़िल्टर बैंडविड्थ उच्च और निम्न -3dB बिंदुओं के बीच असमानता है। एक सक्रिय बीपीएफ की सामान्यीकृत आवृत्ति प्रतिक्रिया और चरण बदलाव इस प्रकार होगा।

आवृत्ति प्रतिक्रिया

जब उपरोक्त निष्क्रिय-ट्यून फ़िल्टर सर्किट बीपीएफ के रूप में काम करता है, तो बैंडविड्थ काफी व्यापक हो सकता है। यदि हम एक छोटे बैंड के साथ आवृत्तियों को अलग करना चाहते हैं तो यह एक परेशानी हो सकती है। सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर को इनवर्टिंग ऑप-एम्प के साथ भी डिज़ाइन किया जा सकता है।

इस प्रकार, फ़िल्टर में प्रतिरोधों और कैपेसिटर की स्थिति को पुनर्गठित करके, हम एक बेहतर फ़िल्टर सर्किट उत्पन्न कर सकते हैं। सक्रिय बीपीएफ के लिए निचला कट-ऑफ -3dB बिंदु 'C1' द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है जबकि उच्च कट-ऑफ -3dB बिंदु 'C2' द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है।

उपरोक्त फ़िल्टर में दो केंद्र आवृत्तियाँ HPF और LPF हैं। उच्च पास फिल्टर एलपीएफ की केंद्र आवृत्ति की तुलना में केंद्र आवृत्ति कम होनी चाहिए।

बीपीएफ की केंद्र आवृत्ति ऊपरी और निचली कट-ऑफ आवृत्तियों का ज्यामितीय माध्य है जैसे; fr2 = fH x fL.

सक्रिय बीपीएफ का लाभ 20 लॉग (वाउट/विन) डीबी/दशक है।

आयाम प्रतिक्रिया एलपीएफ और एचपीएफ प्रतिक्रियाओं से संबंधित है। प्रतिक्रिया वक्र मुख्य रूप से कैस्केडिंग फ़िल्टर के क्रम पर निर्भर करता है।

क्यू फैक्टर

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर के ऊपरी और निचले -3dB कोने बिंदुओं के बीच वास्तविक पासबैंड की कुल चौड़ाई सर्किट का क्यू-कारक तय करती है। Q कारक मान कम है तो फ़िल्टर की बैंडविड्थ व्यापक है। परिणामस्वरूप, Q कारक जितना अधिक होता है फ़िल्टर संकरा होता है।

कभी-कभी, सक्रिय बैंडपास फिल्टर के क्यू कारक को ग्रीक प्रतीक 'α' से दर्शाया जाता है और इसे अल्फा-पीक आवृत्ति कहा जाता है।

α = 1/Q

चूंकि एक सक्रिय बीपीएफ का 'क्यू' उसके 'यूआर' (केंद्र अनुनाद आवृत्ति) के आसपास फिल्टर की प्रतिक्रिया की 'तीक्ष्णता' से संबंधित है, तो इसे डंपिंग फैक्टर (या) डंपिंग गुणांक के रूप में भी जाना जा सकता है क्योंकि फिल्टर में है यदि अधिक नमी है तो फिल्टर की प्रतिक्रिया बेहतर होगी। फ़िल्टर में नमी कम है, फ़िल्टर प्रतिक्रिया तेज़ है।

अवमंदन अनुपात को ग्रीक प्रतीक 'ξ' से दर्शाया गया है

ξ = ए/2

एक सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर का गुणवत्ता कारक उच्च और निम्न -3dB आवृत्तियों के बीच ƒr (गुंजयमान आवृत्ति) और BW (बैंडविड्थ) का अनुपात है।

सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर प्रकार

सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर दो प्रकार के होते हैं; वाइड बैंड पास फिल्टर और नैरो बैंड पास फिल्टर जिनकी चर्चा नीचे की गई है।

वाइड बैंड पास फ़िल्टर

यदि गुणवत्ता कारक (क्यू) मान दस से नीचे है, तो पास बैंड व्यापक है, और फिर यह हमें बड़ी बैंडविड्थ देता है। इसलिए इस BPF को वाइड बैंड पास फ़िल्टर के रूप में जाना जाता है। एक विस्तृत बैंड पास फिल्टर में, उच्च कट-ऑफ आवृत्ति कम कट-ऑफ आवृत्ति की तुलना में बड़ी होनी चाहिए।

सबसे पहले, सिग्नल एचपीएफ से होकर गुजरता है, इस फाइलर का आउटपुट सिग्नल अनंत तक जाएगा जो अंत में एलपीएफ को दिया जाता है। यह एलपीएफ उच्च आवृत्ति सिग्नल को कम-पास करेगा।

जब भी एचपीएफ को एलपीएफ के माध्यम से कैस्केड किया जाता है तो साधारण बीपीएफ प्राप्त किया जा सकता है। इस फिल्टर को समझने के लिए एलपीएफ और एचपीएफ सर्किट का क्रम समान होना चाहिए।

पहले क्रम के एलपीएफ और एचपीएफ को कैस्केडिंग करने से हमें दूसरे क्रम का बीपीएफ मिलता है। दो प्रथम-क्रम एलपीएफ को दो एचपीएफ के साथ मिलाकर एक चौथा-क्रम बीपीएफ बनता है।

इस कैस्केडिंग के कारण, सर्किट निम्न-गुणवत्ता वाला कारक मान देता है। प्रथम-क्रम एचपीएफ के भीतर संधारित्र आई/पी सिग्नल से किसी भी डीसी पूर्वाग्रह को रोकता है।

दोनों स्टॉप बैंड पर, दूसरे क्रम के फिल्टर केस में लाभ रोल ऑफ ± 20 डीबी प्रति दशक है। एलपीएफ और एचपीएफ केवल पहले क्रम में होने चाहिए।

इसी तरह, जब भी दो फिल्टर दूसरे क्रम में होते हैं, तो दोनों स्टॉप बैंड पर लाभ रोल-ऑफ लगभग ± 40dB/दशक होता है।

अभिव्यक्ति:

बैंडपास फ़िल्टर वोल्टेज लाभ की अभिव्यक्ति इस प्रकार दी गई है:

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

यह एलपीएफ और एचपीएफ दोनों के व्यक्तिगत लाभ से प्राप्त होता है, इसलिए दोनों फ़िल्टर के लाभ इस प्रकार दिए गए हैं;

एचपीएफ के लिए वोल्टेज लाभ

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

एलपीएफ के लिए वोल्टेज लाभ

वाउट / विन = Amax2 /√[1+(f/fH)²]

अमैक्स = अमैक्स1 * अमैक्स2

जहां 'Amax1' HPF चरण का लाभ है और 'Amax2; एलपीएफ चरण का लाभ है।

वाइड-बैंड फ़िल्टर प्रतिक्रिया नीचे दिखाई गई है।

नैरो बैंड पास फ़िल्टर

यदि गुणवत्ता कारक मान दस से अधिक है, तो पास बैंड संकीर्ण होगा और पासबैंड बैंडविड्थ भी कम है। इसलिए इस फिल्टर को नैरो बैंड पास फिल्टर के नाम से जाना जाता है।

यह फ़िल्टर दो के बजाय केवल एक सक्रिय घटक जैसे op-amp का उपयोग करता है। इस सर्किट में उपयोग किया जाने वाला ऑप-एम्प इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन में है। इस फ़िल्टर में ऑप-एम्प लाभ 'एफसी' केंद्र आवृत्ति पर अधिकतम है।

संकीर्ण बैंडपास फ़िल्टर सर्किट नीचे दिखाया गया है। इनपुट ऑप-एम्प के इनवर्टिंग इनपुट टर्मिनल को प्रदान किया जाता है, फिर ऑप-एम्प को इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन के रूप में जाना जाता है। यह संकीर्ण बीपीएफ सर्किट एक संकीर्ण बीपीएफ प्रतिक्रिया देता है।

इस फ़िल्टर सर्किट का वोल्टेज लाभ AV = - R2 / R1 है

इस फ़िल्टर सर्किट की कट-ऑफ आवृत्तियाँ हैं;

fC1 = 1 / (2π*R1*C1)

fC2 = 1 / (2π*R2*C2)

फायदे और नुकसान

एक सक्रिय बैंड पास फ़िल्टर के लाभ निम्नलिखित को शामिल कीजिए।

• यह फ़िल्टर पसंदीदा फ़्रीक्वेंसी रेंज सिग्नल भेजने या प्रसारित करने में मदद करता है, इस प्रकार यह ऊर्जा बचाने में मदद करता है।
• यह बैंडपास फ़िल्टर दो आवृत्ति श्रेणियों के बीच संकेतों को फ़िल्टर करने में सहायता करता है।

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर के नुकसान में निम्नलिखित शामिल हैं।

• एक सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर केवल पसंदीदा आवृत्तियों की श्रेणी को गुजरने की अनुमति देता है।
• वे अत्यधिक प्रतिबंधात्मक हो सकते हैं, खासकर जब एक संकीर्ण बैंडविड्थ के साथ उपयोग किया जाता है। तो इसके परिणामस्वरूप ध्वनि खोखली या पतली महसूस होने के लिए महत्वपूर्ण आवृत्ति सामग्री खो जाती है।
• ये फिल्टर महंगे हैं.
• इन फ़िल्टर में एक जटिल नियंत्रण प्रणाली होती है।
• उनकी आवृत्ति की एक सीमित सीमा होती है।

अनुप्रयोग

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर के अनुप्रयोगों में निम्नलिखित शामिल हैं।

• सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर का उपयोग कई ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में किया जाता है जैसे; उपग्रह संचार, दूरसंचार और प्रकाश मॉड्यूलेशन में डेटा स्थानांतरण।
• इन फ़िल्टर का उपयोग ऑडियो उपकरण में 20 हर्ट्ज से 20 किलोहर्ट्ज़ तक की श्रव्य सीमा में आने वाली आवृत्तियों को अलग करने के लिए किया जाता है।
• संचार की उत्कृष्टता को बढ़ाने के लिए अवांछित संकेतों और शोर को फ़िल्टर करने के लिए वायरलेस संचार प्रणालियों में सक्रिय बीपीएफ का उपयोग किया जाता है।
• इन फिल्टर का उपयोग ईडीएफ रिंग लेजर की ट्यूनिंग और हाई-स्पीड मोड लॉकिंग में किया जाता है।
• इस प्रकार के बीपीएफ का उपयोग ईडीएफ सुपर फ्लोरोसेंट स्रोतों के ओ/पी स्पेक्ट्रम को समतल करने के लिए किया जाता है।
• इस फ़िल्टर का उपयोग वायरलेस संचार प्रणाली में सिग्नल ट्रांसमीटर और सिग्नल रिसीवर में किया जाता है।
• इनका उपयोग वर्तमान ऑडियो सिस्टम जैसे स्टीरियो सिस्टम, डिस्ट्रीब्यूटेड स्पीकर सिस्टम, डॉल्बी म्यूजिक सिस्टम आदि में किया जाता है।
• इस प्रकार के फिल्टर का उपयोग ऑडियो इक्वलाइज़र सर्किट, लेजर, में आवृत्ति नियंत्रण के लिए किया जाता है। LIDAR का और सोनार संचार प्रणाली।
• इसका उपयोग ईसीजी जैसे चिकित्सा उपकरणों और तंत्रिका विज्ञान में डेटा एकत्र करने और विश्लेषण करने के लिए किया जाता है।

एक्टिव बैंड पास फ़िल्टर का उपयोग कहाँ किया जाता है?

सक्रिय बैंडपास फ़िल्टर का उपयोग दूरसंचार क्षेत्र में किया जाता है और मॉडेम और स्पीच प्रोसेसिंग के लिए 0 kHz से 20 kHz तक की ऑडियो आवृत्ति रेंज के भीतर भी उपयोग किया जाता है। इनका उपयोग आमतौर पर वायरलेस ट्रांसमीटर और रिसीवर में किया जाता है

सक्रिय और निष्क्रिय बैंड पास फ़िल्टर के बीच क्या अंतर है?

सक्रिय फिल्टर एक शक्ति स्रोत के साथ काम करते हैं जबकि निष्क्रिय फिल्टर को एक शक्ति स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है। निष्क्रिय फ़िल्टर आउटपुट लोड के साथ बदलता है जबकि सक्रिय फ़िल्टर कनेक्टेड लोड की परवाह किए बिना अपना प्रदर्शन बनाए रखता है।

बैंडपास फ़िल्टर का स्थानांतरण कार्य क्या है?

बैंड-पास फ़िल्टर व्यवहार को स्थानांतरण फ़ंक्शन के साथ गणितीय रूप से वर्णित किया जा सकता है। यह फ़िल्टर के इनपुट और आउटपुट सिग्नल को जोड़ने वाला एक जटिल फ़ंक्शन है। तो T.F H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω) द्वारा दिया जाता है।

फ़िल्टर स्थानांतरण फ़ंक्शन क्या है?

फ़िल्टर स्थानांतरण फ़ंक्शन इसकी आवेग प्रतिक्रिया का Z-रूपांतरण है। इसमें अंश और हर दोनों के भीतर संपूर्ण द्विघात समीकरण शामिल हैं। यह लो-पास, हाई-पास, सिंगल-फ्रीक्वेंसी नॉच और बैंड-रिजेक्ट रियलाइजेशन विशेषताओं को लागू करने के लिए आधार प्रदान करता है।

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

इस प्रकार, यह सक्रिय का एक सिंहावलोकन है बैंडपास फ़िल्टर, सर्किट, कार्य करना , प्रकार, और अनुप्रयोग। सक्रिय बैंड-पास फिल्टर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के भीतर महत्वपूर्ण घटक हैं जो दूसरों को क्षीण करते हुए चुनिंदा आवृत्तियों की एक निश्चित सीमा को पारित करते हैं। ये फ़िल्टर उच्च परिशुद्धता और लाभ जैसे कई लाभ प्रदान करते हैं। सक्रिय बीपीएफ का उपयोग आमतौर पर किया जाता है संचार प्रणाली साथ ही सिग्नल प्रोसेसिंग-आधारित अनुप्रयोग जहां रेडियो रिसीवर की तरह स्थिरता और उच्च परिशुद्धता आवश्यक है। इनका उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों, ऑडियो, बायोमेडिकल इंजीनियरिंग और रेडियो संचार में किया जाता है। यहां आपके लिए एक प्रश्न है, निष्क्रिय बैंडपास फ़िल्टर क्या है?