Detail předmětu

Elektronické filtry

FEKT-BPC-ELFAk. rok: 2022/2023

Analogové filtry jsou stále nedílnou součástí všech složitějších elektronických zařízení. Jejich analýza a proces návrhu tak patří mezi základní, aplikačně zaměřené, dovednosti bakalářů. V předmětu jsou vyučovány pasivní a aktivní filtrační struktury s tradičními i nekonvenčními funkčními bloky (syntetické induktory, prvky známé jako FDNR, superinduktory), filtry využívající speciální fyzikální principy (SAW, krystalové filtry) a filtry založené na spínaných dějích (spínané kapacitory). Z hlediska praktické použitelnosti se jedná o setrvačné elektronické systémy zpracovávající v reálném čase spojité signály o kmitočtech do zhruba 100MHz. V počítačových cvičeních je řešena problematika analýzy a syntézy typických zapojení filtrů pomocí dostupných programů (Orcad Pspice, Snap, NAF, Matlab, Mathcad) včetně optimalizace návrhu filtru z různých hledisek.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu:
1. rozumí základním vlastnostem elektrických filtrů a principu filtrace v časové i kmitočtové oblasti
2. umí interpretovat libovolnou přenosovou funkci a odvodit příslušné kmitočtové charakteristiky
2. je schopen navrhnout pasivní i aktivní filtr pro danou aplikaci včetně výpočtu numerických hodnot všech součástek
3. popsat funkci krystalových a SAW filtrů i struktur se spínanými kapacitory
4. kompletně analyzovat a navrhovat filtrační obvod na počítači

Prerekvizity

Jsou požadovány středoškolské znalosti matematiky (operace se zlomky, řešení soustavy lineárních rovnic, algebraické úpravy rovnic, Laplaceova transformace) a elektroniky (princip pasivních a základních aktivních součástek), sestavení diferenciálních rovnic jednoduchého obvodu rovněž patří mezi požadované schopnosti.
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby poučené“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle), kde studenti naleznou veškeré studijní materiály.

Způsob a kritéria hodnocení

Počítačové cvičení během semestru (7 bodů), laboratorní měření (7 bodů), čtyři samostatné práce (28 bodů), písemná závěrečná zkouška (52 bodů), ústní dozkoušení (6 bodů).

Osnovy výuky

1. Základy časově spojité filtrace, typy kmitočtových filtrů a jejich základní parametry.
2. Přenosové funkce bilineárních filtračních obvodů.
3. Přenosové funkce bikvadratických filtrů.
4. Pasivní filtry RC a RLC.
5. Návrh pasivních příčkových filtrů podle tolerančního pole.
6. Aktivní prvky používané ve filtračních obvodech, základní struktury aktivních filtrů.
7. Gm-C topologie filtrů, multifunkční filtry.
8. Elektronicky rekonfigurovatelné filtry, teorie a praxe.
9. Všepropustné fázovací články, vlastnosti a různá zapojení.
10. Filtry pro audio aplikace, ekvalizéry a filtry necelistvého matematického řádu.
11. Imitanční konvertory a invertory, syntetické funkční bloky, příklady použití.
12. Filtry se spínanými kapacitory, vlastnosti a praktické využití.
13. Krystalové filtry, SAW filtry a electromechanické koncepce.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s problematikou filtrace spojitých signálů a návrhu pasivních i aktivních analogových filtrů pro praktické aplikace v kmitočtových pásmech do 100 MHz.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

T. DOSTÁL: Elektrické filtry - počítačová cvičení. Elektronická skripta. UREL, 2004. (CS)

Doporučená literatura

K. HÁJEK, J. SADLÁČEK: Kmitočtové filtry. BEN, 2002, 536 stran. ISBN: 80-7300-023-7. (CS)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-AUD bakalářský

    specializace AUDB-TECH , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program BPC-EKT bakalářský 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program BPC-IBE bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program BPC-MET bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program BPC-SEE bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program BPC-TLI bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program BPC-AMT bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Osnova

1. Princip, účel, typy, vlastnosti a parametry EF.
2. RLC filtry druhého řádu. Pasivní filtry RC.
3. RLC filtry vyšších řádů a prostředky k jejich návrhu.
4. Aktivní prvky a funkční bloky ve filtrech a jejich modelování.
5. Základní bikvady (DP, HP, PP) s jedním operačním zesilovačem.
6. Filtry s více aktivními prvky.
7. Eliptické ARC bikvady a pásmové ARC zádrže.
8. Návrh filtrů ARC vyšších řádů, kaskádní syntéza.
9. Filtry s funkčními bloky a syntetickými prvky.
10. Fázovací (všepropustné) dvojbrany a korektory.
11. Elektrické filtrační obvody se spínanými kapacitory.
12. Elektromechanické, piezoelektrické a EF s povrchovou vlnou.
13. Optimalizace navrženého filtru. Přelaďování a nastavování parametrů filtrů.

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Osnova

1. Jednoduché pasivní filtry RC a RLC.
2. Návrh pasivních filtrů RLC vyšších řádů. Program NAF.
3. Analýza vybraného typu aktivního filtru.
4. Optimalizace navrženého filtru.
5. Porovnání citlivostí aktivních a pasivních filtrů.
6. Hierarchické modelování aktivní prvků a funkčních bloků.
7. Bikvady s jedním a více aktivními prvky. Studium parazitních jevů na vf.
8. Přelaďování a nastavování parametrů aktivních filtrů, zvyšování Q.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Roman Šotner, Ph.D.
Ing. Radek Theumer
Ing. Miroslav Rujzl

Osnova

1. Pasivní příčkové články druhého a třtího řádu.
2. Pasivní RLC příčkové filtrační struktury vyšších řádů.
3. Aktivní dolní propust Sallen-Key with operational amplifier.
4. Syntetické prvky ve filtračních aplikacích s nezávislým nastavováním parametrů.
5. Kerwin-Huelsman-Newcomb filtr s transadmitančními zesilovači.
6. Univerzální filtr čtvrtého řádu vícesmyčkové integrátorové struktury.
7. Bikvadratický filtr v proudovém režimu.
8. Obvody se spínanými kapacitory - univerzální integrovaný SC filtr.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz