ایکٹو بینڈ پاس فلٹر: سرکٹ، اقسام، فریکوئینسی رسپانس، کیو فیکٹر، فوائد اور اس کی ایپلی کیشنز

دی بینڈ پاس فلٹر سگنل کو دو مخصوص فریکوئنسیوں کے درمیان سپلائی کرنے کی اجازت دیتا ہے، حالانکہ ان سگنلز کو دوسری فریکوئنسیوں پر الگ کرتا ہے۔ اس قسم کے بینڈ پاس فلٹرز مختلف اقسام میں دستیاب ہیں۔ کچھ بینڈ پاس فلٹر ڈیزائن بیرونی طاقت اور فعال اجزاء کے ساتھ بنایا گیا ہے جیسے؛ ٹرانجسٹرز، اور مربوط سرکٹس، جنہیں ایکٹو بی پی ایف کہا جاتا ہے۔ اسی طرح، کچھ فلٹرز کسی بھی پاور سورس اور غیر فعال اجزاء جیسے انڈکٹرز اور کیپسیٹرز کو استعمال کرتے ہیں، جنہیں غیر فعال BPF کہتے ہیں۔ یہ فلٹرز وائرلیس ٹرانسمیٹر اور ریسیورز میں لاگو ہوتے ہیں۔

ٹرانسمیٹر میں BPF کا استعمال آؤٹ پٹ سگنل کی بینڈوتھ کو کم سے کم مطلوبہ سطح تک محدود کرنے اور مثالی رفتار اور شکل پر ڈیٹا منتقل کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ اسی طرح، وصول کنندہ میں یہ فلٹر غیر ضروری تعدد پر سگنلز سے غیر حاضر رہتے ہوئے، پسندیدہ فریکوئنسی لیول کے اندر سگنلز کو ڈی کوڈ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ رسیور کا S/N تناسب بینڈ پاس فلٹر کے ذریعے بہتر کیا جاتا ہے۔ یہ مضمون ایک پر مختصر معلومات فراہم کرتا ہے۔ فعال بینڈ پاس فلٹر .

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر کیا ہے؟

ایک قسم کا بینڈ پاس فلٹر جو فعال اجزاء جیسے کہ استعمال کرتا ہے۔ آپریشنل یمپلیفائر ریزسٹرس اور کیپسیٹرز کے ساتھ فلٹر بنانے کے لیے ایک فعال بینڈ پاس فلٹر کے طور پر جانا جاتا ہے۔ یہ بینڈ پاس فلٹر فلٹرنگ کے علاوہ ان پٹ سگنل کو بڑھاتے ہیں، حالانکہ انہیں ایک بیرونی طاقت کا ذریعہ درکار ہوتا ہے۔

یہ بینڈ پاس فلٹر ایک HPF، ایک یمپلیفائر اور ایک LPF کو کاسکیڈنگ کرکے ڈیزائن کیا گیا ہے جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔ HPF اور LPF کے درمیان ایمپلیفائر سرکٹ تنہائی فراہم کرتا ہے اور مجموعی طور پر وولٹیج حاصل کرتا ہے۔ دونوں فلٹرز کی کٹ آف فریکوئنسی ویلیوز کو کم سے کم تغیر کے ساتھ برقرار رکھا جانا چاہیے۔ اگر یہ تغیر بہت چھوٹا ہے، تو کم پاس اور ہائی پاس کے مراحل کے درمیان تعامل کا امکان ہے۔ لہذا، ایک amplifying سرکٹ کی ضرورت ہے. ان کٹ آف فریکوئنسیوں کی صحیح سطح حاصل کرنے کے لیے۔

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر کام کرنے کا اصول

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر تعدد کی حد سے اوپر یا نیچے کی تعدد کو کم کرکے کام کرتا ہے (یعنی پاس بینڈ یا فلٹر کی بینڈوڈتھ)۔ اس بینڈ پاس رینج میں فریکوئنسی کے ساتھ کوئی بھی سگنل فلٹر سے ہی گزرتا ہے۔ کوئی بھی فریکوئنسی جو بینڈ پاس سے باہر ہے اسے کم یا کم کیا جاتا ہے۔

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر ڈیزائن

فعال بینڈ پاس فلٹر سرکٹ ذیل میں دکھایا گیا ہے۔ اس سرکٹ کو انفرادی کم پاس اور ہائی پاس غیر فعال فلٹرز کو ایک ساتھ کاسکیڈنگ کرکے ڈیزائن کیا جاسکتا ہے۔ یہ ایک کم 'کوالٹی فیکٹر' قسم کا فلٹر دیتا ہے جس میں ایک وسیع پاس بینڈ ہوتا ہے۔ ایکٹیو بینڈ پاس فلٹر کا بنیادی مرحلہ ہائی پاس سٹیج ہے جو مرکزی ماخذ سے کسی بھی ڈی سی بائیسنگ کو روکنے کے لیے کپیسیٹر کا استعمال کرتا ہے۔

اس سرکٹ ڈیزائن کا فائدہ یہ ہے کہ ایک نصف کے ذریعے کافی فلیٹ غیر متناسب پاس بینڈ فریکوئنسی رسپانس پیدا کرتا ہے جو کم پاس رسپانس کی نشاندہی کرتا ہے جبکہ باقی نصف ہائی پاس ریسپانس کی نشاندہی کرتا ہے۔

اونچے کونے والے پوائنٹ 'ƒH' اور نچلے کونے کی فریکوئنسی کٹ آف پوائنٹ 'ƒL' کا حساب پہلے کی طرح عام فرسٹ آرڈر LPF اور HPF سرکٹس میں کیا جاتا ہے۔

LPF اور HPF مراحل کے درمیان کسی بھی تعامل سے بچنے کے لیے دو کٹ آف پوائنٹس کے درمیان ایک معقول علیحدگی ضروری ہے۔ ایمپلیفائر فلٹر سرکٹ کے مجموعی وولٹیج حاصل کو بیان کرنے کے لیے فلٹر کے دو مراحل کے درمیان تنہائی فراہم کرنے میں مدد کرتا ہے۔ لہذا، فلٹر بینڈوتھ اعلی اور کم -3dB پوائنٹس کے درمیان تفاوت ہے۔ ایک فعال بی پی ایف کا معمول کے مطابق فریکوئنسی رسپانس اور فیز شفٹ حسب ذیل ہوگا۔

تعدد جواب

جب مندرجہ بالا غیر فعال ٹیونڈ فلٹر سرکٹ BPF کے طور پر کام کرتا ہے، تو بینڈوڈتھ کافی وسیع ہو سکتی ہے۔ اگر ہم چھوٹے بینڈ کے ساتھ تعدد کو الگ کرنا چاہتے ہیں تو یہ ایک پریشانی ہوسکتی ہے۔ ایکٹیو بینڈ پاس فلٹر کو انورٹنگ اوپ-امپ کے ساتھ بھی ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔

اس طرح، فلٹر میں ریزسٹرس اور کیپسیٹرز کی پوزیشنوں کو دوبارہ ترتیب دے کر، ہم بہت بہتر فلٹر سرکٹ بنا سکتے ہیں۔ نچلا کٹ آف -3dB پوائنٹ ایک فعال BPF کے لیے 'ƒC1' کے ذریعے متعین کیا گیا ہے جبکہ اعلیٰ کٹ آف -3dB پوائنٹ 'ƒC2' کے ذریعے متعین کیا گیا ہے۔

مندرجہ بالا فلٹر میں دو سینٹر فریکوئنسی HPF اور LPF ہیں۔ دی ہائی پاس فلٹر مرکز کی تعدد LPF کے مرکز کی تعدد کے مقابلے میں کم ہونی چاہیے۔

بی پی ایف کی سینٹر فریکوئنسی اوپری اور لوئر کٹ آف فریکوئنسیوں کا ہندسی وسط ہے جیسے؛ fr2 = fH x fL۔

فعال بی پی ایف کا فائدہ 20 لاگ (واؤٹ/وِن) ڈی بی/ڈیکیڈ ہے۔

طول و عرض کا ردعمل LPF اور HPF ردعمل سے متعلق ہے۔ جوابی وکر بنیادی طور پر جھرن والے فلٹر کی ترتیب پر منحصر ہے۔

Q فیکٹر

فعال بینڈ پاس فلٹر کے اوپری اور نچلے -3dB کارنر پوائنٹس کے درمیان اصل پاس بینڈ کی مجموعی چوڑائی سرکٹ کے Q-فیکٹر کا فیصلہ کرتی ہے۔ Q فیکٹر ویلیو کم ہے پھر فلٹر کی بینڈوتھ وسیع ہے۔ نتیجے کے طور پر، Q فیکٹر زیادہ ہے فلٹر تنگ ہے۔

بعض اوقات، فعال بینڈ پاس فلٹر کے Q عنصر کو یونانی علامت 'α' سے ظاہر کیا جاتا ہے اور اسے الفا-پیک فریکوئنسی کہا جاتا ہے۔

α = 1/Q

چونکہ ایک فعال BPF کا 'Q' اس کے 'ƒr' (مرکزی گونج والی فریکوئنسی) کے ارد گرد فلٹر کے ردعمل کی 'تیزی' سے متعلق ہے تو اسے ڈیمپنگ فیکٹر (یا) ڈیمپنگ کوفیشینٹ کے نام سے بھی جانا جا سکتا ہے کیونکہ فلٹر میں فلٹر کے مقابلے میں زیادہ نم ہوتا ہے۔ فلٹر میں کم نم ہوتا ہے اور فلٹر کا ردعمل تیز ہوتا ہے۔

ڈیمپنگ ریشو یونانی علامت 'ξ' سے ظاہر ہوتا ہے۔

ξ = a/2

ایک فعال بینڈ پاس فلٹر کا کوالٹی فیکٹر اعلی اور کم -3dB فریکوئنسیوں کے درمیان BW (بینڈوڈتھ) سے ƒr (ریزوننٹ فریکوئنسی) کا تناسب ہے۔

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر کی اقسام

فعال بینڈ پاس فلٹرز کی دو قسمیں ہیں؛ وسیع بینڈ پاس فلٹر اور تنگ بینڈ پاس فلٹر جن پر ذیل میں بحث کی گئی ہے۔

وائڈ بینڈ پاس فلٹر

اگر کوالٹی فیکٹر (Q) کی قدر دس ​​سے کم ہے، تو پاس بینڈ وسیع ہے، اور پھر یہ ہمیں بڑی بینڈوتھ فراہم کرتا ہے۔ لہذا یہ بی پی ایف وائیڈ بینڈ پاس فلٹر کے نام سے جانا جاتا ہے۔ وسیع بینڈ پاس فلٹر میں، کم کٹ آف فریکوئنسی کے مقابلے ہائی کٹ آف فریکوئنسی بڑی ہونی چاہیے۔

سب سے پہلے، سگنل HPF سے گزرتا ہے، اس فائلر کا آؤٹ پٹ سگنل انفینٹی کی طرف ہوتا ہے جو آخر میں LPF کو دیا جاتا ہے۔ یہ LPF اعلی تعدد سگنل کو کم کرے گا۔

جب بھی HPF کو LPF کے ذریعے cascaded کیا جاتا ہے تو پھر سادہ BPF حاصل کیا جا سکتا ہے۔ اس فلٹر کو سمجھنے کے لیے، LPF اور HPF سرکٹس کی ترتیب ایک جیسی ہونی چاہیے۔

ایک فرسٹ آرڈر LPF اور HPF کو کاسکیڈنگ ہمیں دوسرے آرڈر کا BPF فراہم کرتا ہے۔ دو پہلے آرڈر والے LPFs کو دو HPF کے ساتھ ملا کر چوتھے آرڈر کا BPF بنتا ہے۔

اس جھرن کی وجہ سے، سرکٹ کم معیار کی فیکٹر ویلیو دیتا ہے۔ پہلے آرڈر کے HPF کے اندر کیپسیٹر i/p سگنل سے کسی بھی DC کی طرفداری کو روکتا ہے۔

دونوں اسٹاپ بینڈز پر، سیکنڈ آرڈر فلٹر کیس میں گین رول آف ± 20 dB فی دہائی ہے۔ LPF اور HPF صرف پہلی ترتیب میں ہونا چاہیے۔

اسی طرح، جب بھی دو فلٹرز دوسرے آرڈر میں ہوتے ہیں، دونوں اسٹاپ بینڈز پر گین رول آف تقریباً ± 40dB/Decade ہے۔

اظہار:

بینڈ پاس فلٹر وولٹیج حاصل کرنے کا اظہار اس طرح دیا گیا ہے:

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

یہ LPF اور HPF دونوں کے انفرادی فوائد سے حاصل ہوتا ہے، لہذا فلٹر کے دونوں فوائد اس طرح دیئے جاتے ہیں؛

HPF کے لیے وولٹیج کا فائدہ

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

LPF کے لیے وولٹیج کا اضافہ

Vout / Vin = Amax2 /√[1+(f/fH)²]

Amax = Amax1 * Amax2

جہاں 'Amax1' HPF مرحلے کا فائدہ ہے اور 'Amax2; ایل پی ایف مرحلے کا فائدہ ہے۔

وسیع بینڈ فلٹر کا جواب ذیل میں دکھایا گیا ہے۔

تنگ بینڈ پاس فلٹر

اگر کوالٹی فیکٹر ویلیو دس سے زیادہ ہے تو پاس بینڈ تنگ ہوگا اور پاس بینڈ بینڈوڈتھ بھی کم ہے۔ لہذا یہ فلٹر نارو بینڈ پاس فلٹر کے نام سے جانا جاتا ہے۔

یہ فلٹر دو کے بجائے صرف ایک فعال جزو جیسے op-amp استعمال کرتا ہے۔ اس سرکٹ میں استعمال ہونے والا op-amp ایک الٹی کنفیگریشن میں ہے۔ اس فلٹر میں op-amp حاصل 'fc' سینٹر فریکوئنسی پر زیادہ سے زیادہ ہے۔

تنگ بینڈ پاس فلٹر سرکٹ ذیل میں دکھایا گیا ہے۔ ان پٹ op-amp کے inverting ان پٹ ٹرمینل کو فراہم کیا جاتا ہے پھر op-amp کو inverting کنفیگریشن کے نام سے جانا جاتا ہے۔ یہ تنگ BPF سرکٹ ایک تنگ BPF جواب دیتا ہے۔

اس فلٹر سرکٹ کا وولٹیج حاصل AV = – R2 / R1 ہے۔

اس فلٹر سرکٹ کی کٹ آف فریکوئنسی ہیں؛

fC1 = 1 / (2π*R1*C1)

fC2 = 1 / (2π*R2*C2)

فائدے اور نقصانات

دی ایک فعال بینڈ پاس فلٹر کے فوائد مندرجہ ذیل شامل ہیں.

• یہ فلٹر ترجیحی فریکوئنسی رینج سگنل بھیجنے یا منتقل کرنے میں مدد کرتا ہے، اس طرح یہ توانائی کی بچت میں مدد کرتا ہے۔
• یہ بینڈ پاس فلٹر دو فریکوئنسی رینجز کے درمیان سگنلز کو فلٹر کرنے میں مدد کرتا ہے۔

فعال بینڈ پاس فلٹرز کے نقصانات میں درج ذیل شامل ہیں۔

• ایک فعال بینڈ پاس فلٹر تعدد کی صرف ایک ترجیحی حد کو گزرنے کی اجازت دیتا ہے۔
• وہ حد سے زیادہ پابندی والے ہو سکتے ہیں، خاص طور پر جب بھی ایک تنگ بینڈوتھ کے ساتھ استعمال کیا جائے۔ لہٰذا اس کے نتیجے میں آواز کو کھوکھلا یا پتلا محسوس کرنے کے لیے اہم فریکوئنسی مواد کھو جاتا ہے۔
• یہ فلٹر مہنگے ہیں۔
• ان فلٹرز میں ایک پیچیدہ کنٹرول سسٹم ہوتا ہے۔
• ان کی تعدد کی حد محدود ہے۔

ایپلی کیشنز

فعال بینڈ پاس فلٹرز کی ایپلی کیشنز میں درج ذیل شامل ہیں۔

• ایکٹو بینڈ پاس فلٹر بہت سے آپٹیکل ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتا ہے جیسے؛ سیٹلائٹ کمیونیکیشنز، ٹیلی کمیونیکیشنز اور ڈیٹا ٹرانسفر لائٹ ماڈیولیشن میں۔
• یہ فلٹرز آڈیو آلات میں 20 ہرٹز سے 20 کلو ہرٹز تک کی سنائی جانے والی فریکوئنسیوں کو الگ کرنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔
• ایکٹو بی پی ایف کو وائرلیس کمیونیکیشن سسٹمز میں استعمال کیا جاتا ہے تاکہ کمیونیکیشن کی فضیلت کو بڑھانے کے لیے ناپسندیدہ سگنلز اور شور کو فلٹر کیا جا سکے۔
• یہ فلٹرز EDF رنگ لیزرز کی ٹیوننگ اور ہائی سپیڈ موڈ لاکنگ میں استعمال ہوتے ہیں۔
• اس قسم کا BPF EDF سپر فلوروسینٹ ذرائع کے o/p سپیکٹرم کو برابر کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
• یہ فلٹر وائرلیس کمیونیکیشن سسٹم میں سگنل ٹرانسمیٹر اور سگنل وصول کرنے والے میں استعمال ہوتا ہے۔
• یہ موجودہ آڈیو سسٹمز جیسے سٹیریو سسٹم، ڈسٹری بیوٹڈ اسپیکر سسٹم، ڈولبی میوزک سسٹم وغیرہ میں استعمال ہوتے ہیں۔
• اس قسم کا فلٹر آڈیو ایکویلائزر سرکٹس میں فریکوئنسی کنٹرول کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، لیزر، LIDAR اور سونار مواصلاتی نظام۔
• یہ طبی آلات جیسے ECG اور نیورو سائنس میں ڈیٹا اکٹھا کرنے اور تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔

ایکٹو بینڈ پاس فلٹر کہاں استعمال ہوتا ہے؟

فعال بینڈ پاس فلٹر ٹیلی کمیونیکیشن فیلڈ میں استعمال ہوتا ہے اور موڈیم اور اسپیچ پروسیسنگ کے لیے 0 kHz سے 20 kHz تک آڈیو فریکوئنسی رینج میں بھی استعمال ہوتا ہے۔ یہ عام طور پر وائرلیس ٹرانسمیٹر اور ریسیورز میں استعمال ہوتے ہیں۔

ایکٹو اور غیر فعال بینڈ پاس فلٹر میں کیا فرق ہے؟

فعال فلٹرز پاور سورس کے ساتھ کام کرتے ہیں جبکہ غیر فعال فلٹرز کو پاور سورس کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ غیر فعال فلٹر آؤٹ پٹ لوڈ کے ساتھ تبدیل ہوتا ہے جبکہ فعال فلٹر منسلک بوجھ سے قطع نظر اپنی کارکردگی کو برقرار رکھتا ہے۔

بینڈ پاس فلٹر کا ٹرانسفر فنکشن کیا ہے؟

بینڈ پاس فلٹر کے رویے کو ٹرانسفر فنکشن کے ساتھ ریاضیاتی طور پر بیان کیا جا سکتا ہے۔ یہ ایک پیچیدہ فنکشن ہے جو فلٹر کے ان پٹ اور آؤٹ پٹ سگنلز کو جوڑتا ہے۔ تو T.F H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω) کے ذریعہ دیا گیا ہے۔

فلٹر ٹرانسفر فنکشن کیا ہے؟

فلٹر ٹرانسفر فنکشن اس کے امپلس رسپانس کا Z-ٹرانسفارم ہے۔ اس میں عدد اور ڈینومینیٹر دونوں کے اندر پوری چوکور مساوات شامل ہیں۔ یہ کم پاس، ہائی پاس، سنگل فریکوئنسی نوچ اور بینڈ کو مسترد کرنے کی خصوصیات کو لاگو کرنے کی بنیاد فراہم کرتا ہے۔

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

اس طرح، یہ فعال کا ایک جائزہ ہے بینڈ پاس فلٹر، سرکٹ، کام کرنا ، اقسام، اور ایپلی کیشنز۔ ایکٹو بینڈ پاس فلٹرز الیکٹرانک سرکٹس کے اندر اہم اجزاء ہیں جو دوسروں کو کم کرتے ہوئے فریکوئنسی کی ایک مخصوص حد کو منتخب طور پر منتقل کرتے ہیں۔ یہ فلٹرز بہت سے فوائد فراہم کرتے ہیں جیسے کہ اعلیٰ درستگی اور فائدہ۔ فعال بی پی ایف عام طور پر استعمال ہوتے ہیں۔ مواصلاتی نظام نیز سگنل پروسیسنگ پر مبنی ایپلی کیشنز جہاں کہیں بھی استحکام اور اعلی درستگی ضروری ہے جیسے ریڈیو ریسیورز میں۔ یہ متعدد ایپلی کیشنز، آڈیو، بائیو میڈیکل انجینئرنگ اور ریڈیو مواصلات میں استعمال ہوتے ہیں۔ یہاں آپ کے لیے ایک سوال ہے، ایک غیر فعال بینڈ پاس فلٹر کیا ہے؟