Содержание
Задание
Теоретические сведения
Порядок расчета и соображения по методике настройки активных фильтров
Расчет фильтра
Список литературы.
Задание №6 КП ЭБРЭ
Спроектировать активный RC - фильтр нижних частот с ограниченной полосой пропускания, удовлетворяющий следующим требованиям:
- полоса пропускания фильтра от 40 Гц до 60 кГц;
- неравномерность затухания в полосе пропускания должна быть не хуже 1,5дБ;
- полоса задерживания на частоте равной 100 Гц и выше до 500 кГц;
- относительное затухание в полосе задерживания, начиная с частоты равной 100 Гц не менее 30 дБ;
- выходное напряжение около 0,5В на высокоомной (104 Ом) нагрузке.
Теоретические сведения
Тенденция к микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры в очень острой форме ставит вопрос о путях дальнейшего развития техники селективных устройств.
Уменьшение габаритов LC -фильтров ограничено тем, что добротность катушек индуктивности падает с уменьшением их размеров. Выбирая величину нагрузочного сопротивления LC- фильтра, можно уменьшить индуктивность но при этом необходимо во столько же раз увеличить емкость, т.е. это не приводит к существенному уменьшению габаритов. В то же время активный RС-фильтр можно выполнить в виде микромодульной конструкции или интегральной схемы/ Величину емкости в нем можно уменьшить, увеличивая во столько же раз сопротивление, габариты которого не зависят от номинала
Технология изготовления катушек индуктивности является специфической и вызывает ряд затруднений, особенно в тех случаях когда фильтры занимают сравнительно малый удельный вес в общем объеме аппаратуры. При использовании в фильтрах индуктивностей необходима герметизация всего фильтра или каждой катушки индуктивности в отдельности, что связано с дополнительными технологическими операциями и увеличением веса.
Первые активные RC -фильтры в которых использовались электронные лампы, были известны еще в 30-е годы. Однако их широкое применение стало возможным лишь после организации промышленного производства транзисторов. Тогда появились много численные работы по теории активных RC-цепей и по вопросам инженерного расчета и проектирования активных RC- фильтров.
Описанные в литературе активные фильтры можно подразделить, прежде всего, на линейные и нелинейные (цифровые). В первых активные элементы работают в линейном режиме, во вторых используются импульсные схемы типа мультивибраторов, триггеров и т.д.
Хотя частотные характеристики коэффициентов передачи активных фильтров описываются такими же уравнениями, как и характеристики LC-фильтров, расчеты их различны, и это представляет собой одно из серьезных затруднений при переходе к активным RC-фильтрам. Для активных RС-фильтров не существует метода, который позволял бы расчленять схему на отдельные звенья, рассчитываемые независимо одно от другого. При расчете активных RС-фильтров характеристики отдельных каскадно включаемых звеньев должны подбираться таким образом, чтобы добиться приблизительно постоянного затухания всего фильтра в пределах полосы пропускания. Поэтому, хотя активные RС-фильтры реализуются, как правило, в виде каскадного соединения звеньев, эти звенья рассчитываются все вместе, что, естественно, делает расчет значительно более сложным, хотя в то же время и более строгим, за счет использования методики синтеза по рабочим параметрам
Процесс синтеза электрической схемы можно, как известно, разделить на три этапа:
1) аппроксимацию, т.е. получение математического выражения заданной частотной зависимости затухания.
2) реализацию, т.е. составление соответствующей этому выражению идеализированной электрической схемы;
3) составление реальной электрической схемы, учитывающей неидеальность схемных элементов, наличие источников питания, цепей подачи смещения, введение дополнительных элементов с целью компенсации температурных зависимостей, целесообразный выбор величин схемных элементов с целью получения минимальных габаритов, минимальной чувствительности цепи к изменениям величин элементов и т д.
Первый этап синтеза — аппроксимация — в рассматриваемом случае активных RС-фильтров может основываться на математическом аппарате теории наилучшего приближения функций, нашедшем довольно широкое применение при решении задачи синтеза LC-фильтров по рабочим параметрам . Этот аппарат при проектировании LC-фильтров мог казаться излишней роскошью, поскольку давал довольно скромную экономию в числе схемных элементов при непропорционально большом усложнении расчетов.
При синтезе активных RC-фильтров он становится необходимостью, а использование электронных вычислительных машин и построенных с их помощью расчетных таблиц позволяет сократить трудоемкость расчета.
Второй этап синтеза — реализация --в случае активных фильтров связи со значительно большей неоднозначностью решения, чем для LC-схем.
В настоящее время существует большое количество вариантов схемных решений, которые можно сгруппировать в четыре основные вида схем на основе:
— конверторов (преобразователей) отрицательного сопротивления;
— гираторов;
— усилителей с ограниченным коэффициентом усиления (с положительной обратной связью);
— операционных усилителей.
Требования к активным RС-фильтрам в силу специфики их построения несколько отличаются от обычно предъявляемых к частотным фильтрам.
Требования к частотной характеристике фильтра.
Для LC-фильтров они определяются неравномерностью затухания в полосе пропускания и величиной относительного затухания в полосе задерживания. Поскольку в активных RС-фильтрах существует усиление сигнала в полосе пропускания, то для них можно говорить о неравномерности усиления в полосе пропускания и относительном усилении в полосе задерживания. Однако здесь используется традиционная терминология.
Входное и выходное сопротивления фильтра.
Применение активных элементов в фильтрах позволяет развязать фильтр со стороны входа и выхода без дополнительных схемных элементов. При этом, в отличие от LC-филыров, входное и выходное сопротивления могут иметь чисто активный характер, т. е. не зависеть практически от частоты, как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания. Каскадное включение звеньев производится не по принципу согласования (равенства входного и выходного сопротивлений стыкуемых звеньев), а соединением низкоомного выходного сопротивления с высокоомным входным и наоборот.
Условия параллельной работы фильтров.
В случае активных RC-фильтров упрощаются условия параллельной работы. Поскольку фильтры с управлением по напряжению имеют большое входное сопротивление, то они должны применяться для параллельной работы со стороны входа, источником сигнала при этом должен быть генератор напряжения. Для параллельной работы со стороны выхода целесообразно использовать фильтры с управлением по току, которые имеют высокое выходное сопротивление, сопротивление нагрузки при этом должно быть значительно меньше высокоомного выходного сопротивления фильтра.
Динамические диапазон и нелинейные искажения.
При использовании активных RC-фильтров эти характеристики, по сравнению с LC-фильтрами, требуют к себе значительно большего внимания. Динамический диапазон сигналов ограничивается снизу уровнем шумов и наводок. Верхняя граница динамического диапазона зависит от типа транзистора, его режима и схемного исполнения активного элемента. В этом отношении схемы активных элементов, построенные на основе эмиттерных повторителей, обладают известными преимуществами по сравнению с усилителями тока.
Основным источником нелинейных искажений в активных RC-фильтрах являются активные элементы, построенные на основе усилителей. Поэтому в последних при высоких требованиях по нелинейности должна применяться отрицательная обратная связь.
Источники питания.
Реализация некоторых характеристик в активных RС-фильтрах накладывает специфические требования на источники питания их активных элементов. Условия стыковки по постоянному току определяют количество и полярность источников питания, а динамический диапазон — величину питающего напряжения. Кроме того, повышаются требования в отношении пульсации питающего напряжения, которые могут усиливаться в отдельных звеньях, представляя значительную помеху. Необходимо обратить внимание на внутреннее сопротивление источника питания, так как большая величина его может служить причиной недостаточного затухания в полосе задерживания фильтра.
Порядок расчета и соображения по методике настройки активных фильтров
При окончательном расчете активного RС-фильтра с целью получения практической схемы приходится учитывать большое количество факторов, которые часто противоречат друг другу. Поэтому процесс проектирования фильтра имеет несколько итеративный характер. Однако можно выделить основные этапы в расчете фильтра
Аппроксимация заданной амплитудно-частотной характеристики.
Задачей аппроксимации является определение функции передачи фильтра в виде сомножителей 1 и 2-го порядков, а именно коэффициентов b1, b2, br при комплексной переменной р.
Порядок п аппроксимирующей функции фильтра НЧ определяется по заданному затуханию в полосе задерживания и неравномерности передачи в полосе пропускания в зависимости от вида аппроксимации.
В заключение определяются добротности звеньев 2-го порядка и рассчитываются координаты контрольных точек характеристик соответствующих типов фильтров. По этим точкам в дальнейшем осуществляется настройка звеньев фильтра.
Выбор активного элемента и вида фильтра.
Выбор типа активного элемента определяет вид фильтра и является поэтому одним из основных этапов расчета.