Проектирование активных фильтров на интегральных операционных усилителях (стр. 1 из 3)
Проектирование активных фильтров на интегральных операционных усилителях
Реферат
Целью данной курсовой работы является проектирование активного фильтра верхних частот, основанного на интегральном операционном усилителе.
Для исследования фильтра используются следующие методы: методы синтеза и анализа электронных схем, метод автоматического проектирования электронных схем, метод объектно-ориентированного программирования.
В представленной курсовой работе рассчитан активный фильтр верхних частот на основе интегрального усилителя построенный по схеме с многопетлевой обратной связью. Частота среза данного фильтра составляет 1000 Гц, коэффициент передачи в полосе пропускания равен 5, наклон АЧХ в полосе ограничения – 40 дБ/дек, неравномерность АЧХ в полосе пропускания - 20дБ.
АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР, ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, АМПЛИТУДНО - ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЧАСТОТА СРЕЗА, КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ, ПОЛОСА ОГРАНИЧЕНИЯ.
Содержание
Введение
1. Существующие виды активных ВЧ фильтров
1.1 Фильтры верхних частот на одном усилителе с положительным коэффициентом усиления
1.2 Фильтры, реализующие комплексно-сопряженные нули.
1.3 Фильтры на операционных усилителях
2. Синтез фильтра
2.1 Анализ ТЗ
2.2 Синтез схемы и расчет элементов фильтра.
3. Расчет АЧХ и ФЧХ фильтра на ЭВМ.
Заключение
Перечень ссылок
Введение
В настоящее время в радиоэлектронике фильтры находят очень широкое применение.
Фильтры – это схемы, которые пропускают некоторые частоты и подавляют остальные. Различают фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, полосовой фильтр и режекторный фильтр.
Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры строятся на пассивных элементах: резисторах, конденсаторах и катушках индуктивности. В активных фильтрах используются усилители, часто ОУ (операционные усилители), для улучшения их характеристик.
Активные фильтры имеют следующие преимущества:
1. Обеспечивают высокое входное сопротивление, поэтому не ухудшают эксплуатационные данные схемы.
2. Улучшают развязку. Поскольку перестраиваемые секции фильтра не связаны между собой.
3. Усиливают сигнал.
4. Катушки индуктивности в них могут быть заменены конденсаторами. Особенно в схемах на ОУ. Конденсаторы обычно менее дороги и более доступны.
5. Низкочастотные фильтры можно построить на элементах малых номиналов.
Целью данной курсовой работы является проектирование активного фильтра высоких частот основанного на интегральных операционных усилителях.
1. Существующие виды активных ВЧ фильтров
Рассмотрим методы реализации различных типов функций цепи, основанные на использовании схем фильтров, включающих как активные, так и пассивные элементы; из последних рассматриваются исключительно резисторы и конденсаторы. Такие фильтры относят к классу активных RС-фильтров или безиндуктивных фильтров.
Использование активных фильтров привлекательно по целому ряду причин и может быть предпочтительней пассивных RLС-эквнвалентов. Например, активные RС-фильтры обычно имеют меньшую массу и занимают меньше места, чем пассивные. Это имеет большое значение при использовании фильтров в аэрокосмических приборах. Другое преимущество—активные фильтры могут быть изготовлены в микромодульном исполнении при использовании технологии интегральных микросхем. Кроме того, они относительно недороги и могут производиться в массовом масштабе. С другой стороны, так как катушка индуктивности не может быть выполнена в интегральном исполнении, то пассивные схемы можно создать только с помощью дискретных компонентов. Этот вариант значительно дороже. По этим и ряду других причин во многих традиционных областях применения фильтров, особенно в радиосвязи, приходится проводить модернизацию, направленную на исключительное использование активных фильтров. В результате этого ежегодное производство активных фильтров оценивается миллионами, и многие компании предлагают их как стандартные блоки.
Одним из наиболее широко используемых типов активных RС-фнльтров являются RС-фильтры на усилителях.
Существуют два общих метода использования активных RС-фильтров при реализации функции цепи. Первый из них—метод каскадной реализации. Этот метод называется так потому, что реализуемая функция сначала факторизуется (разлагается на произведение сомножителей второго порядка). Каждый сомножитель реализуется затем отдельно активной RС-схемой, после чего каскадируется, или последовательно соединяется с другими, чтобы реализовать функцию цепи в целом. Отдельные активные RС-схемы, конечно, должны быть синтезированы так, чтобы он" не взаимодействовали друг с другом.
Второй общий метод использования RС-схем для реализации функций цепей — метод непосредственной реализации, в котором для реализации функции в целом используется одна единственная схема.
Каскадный метод использования активных RС-схем для реализации функции цепи дает много преимуществ инженеру-проектировщику. Прежде всего, любая рассматриваемая RС-схема, требуемая для реализации звена второго порядка обычно относительно проста, а число требуемых элементов невелико. В результате этого процедура синтеза, необходимая для определения значений элементов, обычно несложна и позволяет легко учесть дополнительные ограничения, такие как использование стандартных номиналов элементов или ограничения, накладываемые при минимизации чувствительности. Другое преимущество состоит в том, что каждое звено второго порядка можно индивидуально настроить для реализации соответствующей характеристики. Это, конечно, значительно легче, чем пытаться настроить схему, в которой все элементы взаимодействуют друг с другом; именно это и происходит, когда используется непосредственный метод реализации.
В качестве активного элемента активного RС-фильтра можно использовать любой тип управляемого источника, на практике чаще всего используется один ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением).
Идеально ИНУН представляет собой четырехполюсник, который характеризуется следующими свойствами: 1) бесконечно большим входным полным сопротивлением; 2) нулевым выходным полным сопротивлением; 3) выходным напряжением, пропорциональным входному, причем коэффициент пропорциональности обычно называют коэффициентом усиления. Коэффициент усиления может быть положительным (в этом случае говорят, что ИНУН неинвертирующий) или отрицательный (в этом случае говорят, что он инвертирующий). Среди других причин широкого распространения ИНУН как активного элемента активных RС-фильтров можно указать на легкость его реализации с помощью операционного усилителя.
Из практики известно, что использование неинвертирующего ИНУН дает лучшие результаты.
1.1 Фильтры верхних частот на одном усилителе с положительным коэффициентом усиления
Обобщенная передаточная функция по напряжению ФВЧ второго порядка имеет вид
(1.1)В этом выражении Н0 — коэффициент передачи на бесконечно большой частоте, ωn – собственная частота, Q–добротность.
Преобразуя (1.1) получаем:
(1.2)Сравнивая (1.1) и (1.2) и анализируя результат можно получить первый вариант расчетных формул. Выбирая R2=R4=R и С1=Сз=С, получаем:
; 1/Q=3-K; H0=K, (1.3а), (1.3б), (1.3в)Реализацию ФВЧ второго порядка можно получить подстановкой К=1. Полагая m=С3/С1, и n=R4/R2 и подставляя С1=С и R2=R, получаем вместо (1.2)
(1.4)Сравнивая полученное с (1.1), находим еще один вариант расчетных формул (вариант 2):
(1.5)Отсюда видно, что для любого заданного значения п минимум 1/Q достигается при m=1. Так как обычно желательно иметь минимум 1/Q для любого заданного п, то примем m=1. В этом случае (1.5) упрощается и принимает вид
(1.6)В другом используемом на практике наборе номиналов элементов RС-фильтра верхних частот на одном усилителе с положительным коэффициентом усиления, емкости обоих конденсаторов имеют равные номиналы, а коэффициент усиления ИНУН равен двум. Тогда нормированные значения С1=С3=С и K=2. Используя выражение (1.2), в этом случае находим
(1.7)Преимущество структурs Саллена и Ки на усилителе с положительным коэффициентом усиления заключается в том, что она характеризуется в общем случае простыми расчетными соотношениями; проектировщик имеет возможность легко управлять значениями номиналов элементов и их разбросом; кроме того, допустимо использовать небольшие значения коэффициента усиления ИНУН, которые удобны тем, что их легко стабилизировать. Есть также и некоторые недостатки; основной из них состоит в том, что она характеризуется высокими значениями чувствительности, если с их помощью пытаются реализовать схемы с высоким Q.
1.2 Фильтры, реализующие комплексно-сопряженные нули
Рассмотрим реализации активных фильтров для обобщенной передаточной функции второго порядка. Их обычно относят к биквадратным функциям фильтрации. Общий вид биквадратных передаточных функций по напряжению второго порядка такой