ตัวกรองตัวแปรสถานะ (State Variable Filter หรือ SVF) เป็น ตัวกรองแบบแอคทีฟชนิดหนึ่งในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในสถาปัตยกรรมตัวกรองตัวแปรสถานะ สัญญาณและอนุพันธ์ต่อเนื่องของสัญญาณนั้นจะถูกพิจารณาว่าเป็นตัวแปรสถานะหลักของระบบ

ในตัวกรองแบบตัวแปรสถานะ พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อัตราขยาย ความถี่ตัด และค่า Q สามารถควบคุมได้อย่างอิสระ ทำให้สามารถสร้างตัวกรองแบบปรับได้ เช่น ตัวกรองที่ความถี่ตัดสามารถปรับได้ ในขณะที่อัตราขยายและค่า Q ยังคงที่ ตัวกรองแบบตัวแปรสถานะประกอบด้วยตัวรวมสัญญาณ หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น ซึ่งเชื่อมต่อกันในรูปแบบการป้อนกลับ โดยพื้นฐานแล้วจะใช้เมื่อ ต้องการ ค่า Q ที่แม่นยำ เนื่องจากตัวกรองหลายลำดับอื่นๆ ไม่สามารถให้ได้ การใช้งานที่พบได้บ่อยที่สุดคือการรวมสัญญาณอินพุตกับค่าอินทิกรัลและค่าอินทิกรัลสองชั้นของมัน

ตัวกรองตัวแปรสถานะยังสามารถจำแนกได้เป็นตัวกรองแบบป้อนกลับหลายทาง (Multiple Feedback: MFB) และตัวกรองแบบป้อนกลับหลายลูป (Multiple Feedback Loop: MFL) เนื่องจากรูปแบบการป้อนกลับทั่วไป สถาปัตยกรรมแบบป้อนกลับหลายทางช่วยลดความไวต่อค่าของส่วนประกอบในตัวกรองตัวแปรสถานะได้

ในบทความของพวกเขา^{[ 1 ]} Kerwin, Huelsman และ Newcomb ได้พัฒนาสถาปัตยกรรมตัวกรองและนำเสนอการใช้งานด้วยตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการโดยใช้การสังเคราะห์ตัวแปรสถานะ ตัวกรองประเภทนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเวอร์ชันที่มีตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการสามตัว เรียกว่าตัวกรอง KHN หรือเรียกง่ายๆ ว่าตัวกรองตัวแปรสถานะ

ตัวอย่างด้านล่างสามารถสร้าง เอาต์พุต แบบโลว์พาสไฮพาสและแบนด์พาส พร้อมกัน จากอินพุตเดียว^{[ 2 ]}นี่คือตัวกรองลำดับที่สอง ( biquadซึ่งย่อมาจาก biquadratic) การได้มาของมันมาจากการจัดเรียงฟังก์ชันถ่ายโอนของตัวกรองไฮพาสใหม่ ซึ่งเป็นอัตราส่วนของฟังก์ชันกำลังสองสองฟังก์ชัน การจัดเรียงใหม่เผยให้เห็นว่าสัญญาณหนึ่งเป็นผลรวมของสำเนาที่รวมเข้าด้วยกันของอีกสัญญาณหนึ่ง นั่นคือ การจัดเรียงใหม่เผยให้เห็นโครงสร้างตัวกรองตัวแปรสถานะ โดยการใช้สถานะที่แตกต่างกันเป็นเอาต์พุต สามารถสร้างตัวกรองประเภทต่างๆ ได้ ในตัวอย่างตัวกรองตัวแปรสถานะทั่วไป ลำดับตัวกรองเพิ่มเติมเป็นไปได้ด้วยตัวรวมเพิ่มเติม (เช่น สถานะเพิ่มเติม)

ด้วยการใช้ OpAmp เพิ่มเติม (ไม่ได้แสดงในภาพ) ในการกำหนดค่าแบบรวมจะสามารถเพิ่มเอาต์พุตแบบแบนด์สต็อป ได้โดยการรวมเอาต์พุตแบบโลว์พาสและไฮพาสเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ ยังสามารถสร้าง ตัวกรองแบบออลพาสได้โดยใช้ OpAmp เช่นกัน โดยการลบเอาต์พุตแบบแบนด์พาสออกจากอินพุตของตัวกรอง

สัญญาณอินพุตจะถูกทำเครื่องหมาย V ; เอาต์พุต LP, HP และ BP จะให้สัญญาณที่ผ่านการกรองแบบโลว์พาส ไฮพาส และแบนด์พาส ตามลำดับ^{[ 3 ] [ 4 ]}

เพื่อความง่าย เราจึงกำหนดดังนี้:

${\displaystyle R_{f1}=R_{f2}}$

${\displaystyle C_{1}=C_{2}}$

${\displaystyle R_{1}=R_{2}}$

แล้ว:

${\displaystyle F_{0}={\frac {1}{2\pi R_{f1}C_{1}}}}$

${\displaystyle Q=\left(1+{\frac {R_{4}}{R_{q}}}\right)\left({\frac {1}{2+{\frac {R_{1}}{R_{g}}}}}\right)}$

อัตราขยายของแถบความถี่ผ่านสำหรับเอาต์พุต LP และ HP กำหนดโดย:

${\displaystyle A_{HP}=A_{LP}={\frac {R_{1}}{R_{g}}}}$

จะเห็นได้ว่าความถี่ในการทำงานและค่า Q สามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างอิสระ คุณสมบัตินี้และความสามารถในการสลับระหว่างการตอบสนองของตัวกรองแบบต่างๆ ทำให้ตัวกรองแบบปรับสถานะได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน เครื่องสังเคราะห์เสียงแบบอนาล็อก

ค่าสำหรับความถี่เรโซแนนซ์ 1  kHz คือ R = R = 10k, C = C = 15nF และ R = R = 10k

Tow และ Thomas ได้ตีพิมพ์สิ่งที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อตัวกรอง Tow-Thomas โดยอิสระ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}ชื่ออื่นๆ ได้แก่ ตัวกรองวงแหวนสามตัวและลูปอินทิเกรเตอร์สองตัว บางครั้งก็เรียกง่ายๆ ว่าตัวกรองไบควอด

ฟิลเตอร์นี้สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการจัดเรียงใหม่ของฟิลเตอร์ KHN และเป็นฟิลเตอร์แบบไบควอดเช่นกัน ลักษณะเด่นอย่างหนึ่งของฟิลเตอร์ Tow-Thomas เมื่อเปรียบเทียบกับฟิลเตอร์ KHN คือ อินพุตของ OpAmp ที่ไม่กลับเฟสทั้งหมดต่อลงกราวด์ ซึ่งช่วยขจัดผลกระทบของความจุปรสิตที่อินพุตเหล่านี้ทั้งหมด เปรียบเทียบกับ OpAmp ตัวแรกของฟิลเตอร์ KHN

ตัวกรอง Tow-Thomas รูปแบบหนึ่ง และด้วยเหตุนี้ ตัวกรอง KHN จึงเป็นตัวกรอง Åckerberg-Mossberg ^{[ 9 ] [ 10 ]}

โดยการแทนที่ตัวต้านทานในตัวกรองตัวแปรสถานะด้วย DAC แบบคูณ (MDAC) ทำให้สามารถสร้างตัวกรองตัวแปรสถานะที่สามารถควบคุมพารามิเตอร์การขยาย ความถี่ตัด และ Q ได้อย่างอิสระด้วยระบบดิจิทัล^{[ 11 ] [ 12 ]}

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ส่วนประกอบต่างๆ เช่น แอมพลิฟายเออร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCA) เพื่อสร้างตัวกรองตัวแปรสถานะที่ควบคุมด้วยระบบดิจิทัลได้ อีกด้วย ^{[ 13 ]}ยิ่งไปกว่านั้น ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์สามารถใช้แทนตัวต้านทานในตัวกรองตัวแปรสถานะได้ (ดูตัวเก็บประจุแบบสวิตช์#ตัวกรอง ) ไอซี MF10 ^{[ 14 ]}และไอซีที่เข้ากันได้กับขา เช่น LMF100 และ LTC1060 เป็นตัวอย่างของการใช้สถาปัตยกรรมตัวกรองตัวแปรสถานะกับตัวเก็บประจุแบบสวิตช์

ตัวกรองตัวแปรสถานะทั่วไปเป็นตัวกรองอันดับสอง เป็นไปได้ที่จะสร้างตัวกรองตัวแปรสถานะที่มีอันดับต่ำกว่า (อันดับหนึ่ง) และอันดับสูงกว่า โดยการลบหรือเพิ่มขั้นตอนการรวมสัญญาณเพิ่มเติม (ขั้นตอน 1/s) และวงจรป้อนกลับที่สอดคล้องกัน

ตัวกรองแบบตัวแปรสถานะ (State variable filters) มักใช้ในการปรับเปลี่ยนการตอบสนองความถี่ใน การประมวล ผลสัญญาณเสียงที่ค่า Q ต่ำ มักใช้ใน วงจร ปรับสมดุลเสียงแบบพาราเมตริกและที่ค่า Q สูงหรือค่า Q ที่ปรับได้ จะใช้สร้างโมดูลตัวกรองแบบเรโซแนนซ์ในเครื่องสังเคราะห์เสียงแบบอนาล็อก สำหรับการควบคุมความถี่ด้วยตนเอง สามารถใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้คู่ (dual potentiometer) แทน Rf1 และ Rf2 ในส่วนด้านบนได้ และสำหรับการควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า สามารถใช้ตัวขยายสัญญาณควบคุมแรงดัน ไฟฟ้า (voltage controlled amplifier ) ​​หรือ ตัว ขยายสัญญาณทรานส์คอนดักแทน ซ์แบบปฏิบัติการ (operational transconductance amplifier) ​​แทนอุปกรณ์ U2 และ U3 ได้

• ตัวกรองเชิงเส้น
• ตัวกรองไบควอด