Проектування активних фільтрів на інтегральних операційних підсилювачах

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Проектування активних фільтрів на інтегральних операційних підсилювачах

Реферат

Метою даної курсової роботи є проектування активного фільтра верхніх частот, заснованого на інтегральному операційному підсилювачі.

Для дослідження фільтра використовуються наступні методи: методи синтезу та аналізу електронних схем, метод автоматичного проектування електронних схем, метод об'єктно-орієнтованого програмування.

У представленій курсовій роботі розрахований активний фільтр верхніх частот на основі інтегрального підсилювача побудований за схемою з многопетлевой зворотним зв'язком. Частота зрізу даного фільтра складає 1000 Гц, коефіцієнт передачі в смузі пропускання дорівнює 5, нахил АЧХ в смузі обмеження - 40 дБ / дек, нерівномірність АЧХ в смузі пропускання - 20дБ.

АКТИВНИЙ ФІЛЬТР, інтегральних операційних підсилювачів, передавальної функції, амплітудно - частотних характеристик, ЧАСТОТА ЗРІЗУ, КОЕФІЦІЄНТ ПЕРЕДАЧІ, ШПАЛЬТА ПРОПУСКАННЯ, ШПАЛЬТА ОБМЕЖЕННЯ.

Зміст

Введення

  1. Існуючі види активних ВЧ фільтрів

    1. Фільтри верхніх частот на одному підсилювачі з позитивним коефіцієнтом посилення

    2. Фільтри, що реалізують комплексно-зв'язані нулі.

    3. Фільтри на операційних підсилювачах

  2. Синтез фільтра

    1. Аналіз ТЗ

    2. Синтез схеми і розрахунок елементів фільтра.

  3. Розрахунок АЧХ і ФЧХ фільтра на ЕОМ.

Висновок

Перелік посилань

Введення

В даний час в радіоелектроніці фільтри знаходять дуже широке застосування.

Фільтри - це схеми, які пропускають деякі частоти і пригнічують інші. Розрізняють фільтр нижніх частот, фільтр верхніх частот, смуговий фільтр і режекторний фільтр.

Фільтри бувають пасивні та активні. Пасивні фільтри будуються на пасивних елементах: резисторах, конденсаторах і котушках індуктивності. У активних фільтрах використовуються підсилювачі, часто ОУ (операційні підсилювачі), для покращення їхніх характеристик.

Активні фільтри мають наступні переваги:

  1. Забезпечують високий вхідний опір, тому не погіршують експлуатаційні дані схеми.

  2. Покращують розв'язку. Оскільки перебудовувані секції фільтру не пов'язані між собою.

  3. Підсилюють сигнал.

  4. Котушки індуктивності в них можуть бути замінені конденсаторами. Особливо в схемах на ОП. Конденсатори зазвичай менш дороги і більш доступні.

  5. Низькочастотні фільтри можна побудувати на елементах малих номіналів.

Метою даної курсової роботи є проектування активного фільтру високих частот заснованого на інтегральних операційних підсилювачах.

1. Існуючі види активних ВЧ фільтрів

Розглянемо методи реалізації різних типів функцій ланцюга, засновані на використанні схем фільтрів, що включають як активні, так і пасивні елементи; з останніх розглядаються виключно резистори і конденсатори. Такі фільтри відносять до класу активних R С-фільтрів або безіндуктівних фільтрів.

Використання активних фільтрів привабливо з цілого ряду причин і може бути краще пасивних RL С-еквнвалентов. Наприклад, активні R С-фільтри звичайно мають меншу масу і займають менше місця, ніж пасивні. Це має велике значення при використанні фільтрів в аерокосмічних приладах. Інша перевага-активні фільтри можуть бути виготовлені в мікромодульному виконанні при використанні технології інтегральних мікросхем. Крім того, вони відносно недорогі і можуть проводитися в масовому масштабі. З іншого боку, так як котушка індуктивності не може бути виконана в інтегральному виконанні, то пасивні схеми можна створити тільки за допомогою дискретних компонентів. Цей варіант значно дорожче. За цим і ряду інших причин у багатьох традиційних областях застосування фільтрів, особливо у радіозв'язку, доводиться проводити модернізацію, спрямовану на виняткове використання активних фільтрів. У результаті цього щорічне виробництво активних фільтрів оцінюється мільйонами, і багато компаній пропонують їх як стандартні блоки.

Одним з найбільш широко використовуваних типів активних R С-фнльтров є R С-фільтри на підсилювачах.

Існують два загальних методу використання активних R С-фільтрів при реалізації функції ланцюга. Перший з них-метод каскадної реалізації. Цей метод називається так тому, що реалізована функція спочатку факторізуется (розкладається на твір співмножників другого порядку). Кожен співмножник реалізується потім окремо активної R С-схемою, після чого каскадіруется, або послідовно з'єднується з іншими, щоб реалізувати функцію ланцюга в цілому. Окремі активні R С-схеми, звичайно, повинні бути синтезовані так, щоб він "не взаємодіяли один з одним.

Другий спільний метод використання R С-схем для реалізації функцій ланцюгів - метод безпосередньої реалізації, в якому для реалізації функції в цілому використовується одна єдина схема.

Каскадний метод використання активних R С-схем для реалізації функції ланцюга дає багато переваг інженеру-проектувальнику. Перш за все, будь-яка розглянута R С-схема, необхідна для реалізації ланки другого порядку зазвичай відносно проста, а число необхідних елементів невелика. У результаті цього процедура синтезу, необхідна для визначення значень елементів, зазвичай нескладна і дозволяє легко врахувати додаткові обмеження, такі як використання стандартних номіналів елементів або обмеження, що накладаються при мінімізації чутливості. Інша перевага полягає в тому, що кожна ланка другого порядку можна настроїти для реалізації відповідної характеристики. Це, звичайно, значно легше, ніж намагатися налаштувати схему, в якій всі елементи взаємодіють один з одним; саме це і відбувається, коли використовується безпосередній метод реалізації.

В якості активного елементу активного RС-фільтра можна використовувати будь-який тип керованого джерела, на практиці найчастіше використовується один ІНУН (джерело напруги, керований напругою).

Ідеально ІНУН представляє собою чотириполюсник, який характеризується наступними властивостями: 1) нескінченно великим вхідним повним опором; 2) нульовим вихідним повним опором; 3) вихідним напругою, пропорційним вхідному, причому коефіцієнт пропорційності зазвичай називають коефіцієнтом підсилення. Коефіцієнт підсилення може бути позитивним (у цьому випадку говорять, що ІНУН неінвертуючий) або негативний (в цьому випадку говорять, що він инвертирующий). Серед інших причин широкого розповсюдження ІНУН як активного елементу активних RС-фільтрів можна вказати на легкість його реалізації за допомогою операційного підсилювача.

З практики відомо, що використання неінвертірующего ІНУН дає кращі результати.

1.1 Фільтри верхніх частот на одному підсилювачі з позитивним коефіцієнтом посилення

Узагальнена передатна функція по напрузі ФВЧ другого порядку має вигляд

(1.1)

У цьому виразі Н 0 - коефіцієнт передачі на нескінченно великій частоті, ω n - власна частота, Q-добротність.

Перетворюючи (1.1) отримуємо:

(1.2)

Порівнюючи (1.1) і (1.2) та аналізуючи результат можна отримати перший варіант розрахункових формул. Вибираючи R 2 = R 4 = R і С 1 = Сз = С, отримуємо:

; 1 / Q = 3 - K; H 0 = K, (1.3а), (1.3б), (1.3в)

Реалізацію ФВЧ другого порядку можна отримати підстановкою К = 1. Вважаючи m = З 3 / З 1, і n = R 4 / R 2 і підставляючи З 1 = З і R 2 = R, отримуємо замість (1.2)

(1.4)

Порівнюючи отримане з (1.1), знаходимо ще один варіант розрахункових формул (варіант 2):

(1.5)

Звідси видно, що для будь-якого заданого значення п мінімум 1 / Q досягається при m = 1. Оскільки зазвичай бажано мати мінімум 1 / Q для будь-якого заданого п, то приймемо m = 1. У цьому випадку (1.5) спрощується і приймає вигляд

(1.6)

У іншому використовуваному на практиці наборі номіналів елементів RС-фільтра верхніх частот на одному підсилювачі з позитивним коефіцієнтом посилення, ємності обох конденсаторів мають рівні номінали, а коефіцієнт посилення ІНУН дорівнює двом. Тоді нормовані значення С 1 = З 3 = З і K = 2. Використовуючи вираз (1.2), в цьому випадку знаходимо

(1.7)

Перевага структур s Салле і Кі на підсилювачі з позитивним коефіцієнтом підсилення полягає в тому, що вона характеризується в загальному випадку простими розрахунковими співвідношеннями; проектувальник має можливість легко керувати значеннями номіналів елементів і їх розкидом; крім того, допустимо використовувати невеликі значення коефіцієнта посилення ІНУН, які зручні тим, що їх легко стабілізувати. Є також і деякі недоліки; основною з них полягає в тому, що вона характеризується високими значеннями чутливості, якщо з їх допомогою намагаються реалізувати схеми з високим Q.

1.2 Фільтри, реалізують комплексно-зв'язані нулі

Розглянемо реалізації активних фільтрів для узагальненої передавальної функції другого порядку. Їх зазвичай відносять до біквадратні функцій фільтрації. Загальний вигляд біквадратних передавальних функцій по напрузі другого порядку такий

(1.8)

де Н - постійна, ω z і ω p - нулі і полюси, відповідні власних частот, а Q z і Q p-добротності комплексних нулів і полюсів. Передбачається, що нулі можуть бути речовими або комплексними і що вони можуть бути розташовані в будь-якому місці на площині комплексної частоти, включаючи і праву полуплоскость.

Перший тип біквадратні фільтра реалізується на основі схеми з одним підсилювачем і кінцевим коефіцієнтом підсилення.

Припускаючи, що нулі розташовані ближче до початку координат, ніж полюси, отримуємо такі розрахункові співвідношення:

; ; (1.9а), (1.9б)

; Н = К (1.9в), (1.9г)

Множник т можна вибрати довільно.

Другий тип біквадратні фільтра реалізується одним підсилювачем з нескінченним коефіцієнтом підсилення. Тут використовується операційний підсилювач з диференціальним входом. Передавальну функцію такого фільтру легко знайти

(1.10)

Якщо Y 1 + Y a + Y 4 = Y 2 + Y b + Y 3 або Y a = Y 2 + Y 3 або Y b = Y 1 + Y 4, то (1.10) прийме вигляд

(1.11)

У третьому типі реалізації біквадратні фільтра використовуються два операційних підсилювача. Аналіз цієї схеми дає

, Що збігається з (1.11).

Розглянемо ще одну реалізацію біквадратні фільтра. У ній використовуються подвійні Т-образні колі як пасивних компонентів. Передавальна функція фільтра по напрузі

(1.12), де

b +2 = g + e; f +2 = d; T = RC. (1.13)

З (1.8) і (1.13) отримуємо

; ;

; ; . (1.14)

Якщо М 0, ω p, ω z, Q p і Q z підлягають визначенню, то наведені рівняння можна розв'язати відносно параметрів а, Ь, е, f, g, R і С.

Для ФВЧ g = b = 0, e = 2, 2 + f = d.

1.3 Фільтри на операційних підсилювачах

Раніше були розглянуті R С-фільтри на підсилювачах, причому головним чином фільтри, в яких як підсилювача використовувався ІНУН, що має відносно низький коефіцієнт посилення, зазвичай в діапазоні від 1 до 5. У цьому розділі проаналізуємо інші твані фільтрів з підсилювачами, і, перш за все, фільтр на підсилювачі, в якості якого використовується ІНУН з нескінченно великим, в ідеалі, коефіцієнтом підсилення, тобто операційний підсилювач. Фільтр з таким підсилювачем в якості активного елементу будемо називати фільтром з нескінченно великим коефіцієнтом підсилення, де слово нескінченний, звичайно, відноситься до коефіцієнта посилення активного елемента, а не до коефіцієнта підсилення схеми в цілому. Такий тип фільтру має як переваги, так і недоліки, якщо порівнювати його з тими типами, які розглядалися до цього.

Розглянемо в реалізацію фільтру високих частот з многопетлевой зворотним зв'язком.

Його передатна функція визначається:

(1.15)

Її можна представити у вигляді

(1.16)

Зауважимо, що потрібні 3 конденсатора, тобто отримана реалізація неканонічна. Прирівнюючи (1.15) і (1.16), отримуємо

; (1.17а)

; (1.17б)

. (1.17в)

Набір розрахункових співвідношень можна перетворити до більш зручного увазі, вважаючи, при цьому З 1 = З 3 = С, де С вибирається з конструктивних міркувань. У результаті отримуємо

; (1.18а)

; . (1.18б), (1.18в)

Внаслідок того, що технологія виготовлення активних приладів отримала значний розвиток, багато традиційні установки виявляються неефективними. Однією з таких установок було використання якомога меншої кількості активних приладів. Це призвело до появи фільтрів на одному підсилювачі, які були розглянуті в попередніх параграфах. Однак з точки зору сучасної технології інтегральних схем часто виявляється, що немає сенсу мінімізувати число активних елементів. Тому, якщо реалізації на декількох підсилювачах можуть забезпечити кращі характеристики, то вони можуть виявитися кращими в порівнянні з реалізаціями на одному підсилювачі. Познайомимося з двома видами реалізації на декількох підсилювачах. Вони називаються резонаторних реалізаціями і реалізаціями за методом змінних стану. У них використовуються від двох до чотирьох операційних підсилювачів в залежності від бажаних характеристик фільтру.

Реалізації фільтрів за методом змінних стану (вони також називають КНN-фільтрами по початкових буквах прізвищ авторів, які ввели їх у практику), виключно гнучкі, мають хороші характеристики і низьку чутливість. Ці реалізації широко використовуються розробниками фільтрів широкого застосування. Назва змінні стану походить від змінних, що розглядаються в теорії простору станів, методи якої використовуються для рішення диференціальних рівнянь, що застосовуються в процесі синтезу реалізації.

Передавальна функція фільтра верхніх частот, при такому типі фільтра, має вигляд:

, (1.19)

де . (1.20)

Зауважимо, що реалізації ФВЧ є неінвертірующего.

; , (1.21а), (1.21б)

(1.21в)

Якщо вибрати R 5 = R 6, R 1 = R 2 = R 3 і С1 = С2 = С, то (1.21) прийме вигляд:

; . (1.22)

Для обраних співвідношень, використовуючи (1.22), можна описати наступну процедуру синтезу.

  1. Вважаємо, що ω n і Q задані.

  2. Вибираємо зручні значення для С 1 = С 2 = С і R 3 = R 5 = R 6.

  3. Обчислюємо ; . (1.23)

  4. М 0 набуває вигляду (1.24)

Одна з причин популярності фільтрів на основі змінних стану - низькі чутливості основних характеристик. Чутливості добротності до коефіцієнта посилення операційного підсилювача для даної реалізації мають порядок Q / K 0, де К 0 - коефіцієнт посилення операційного підсилювача при розімкнутому петлі зворотного зв'язку. Внаслідок такої низької чутливості фільтр на основі змінних стану успішно використовувався для реалізації передавальних функції з добротністю до декількох сотень. Методи побудови таких фільтрів можна поширити на випадок п-го порядку.

2. Синтез фільтра

2.1 Аналіз технічного завдання

З аналізу технічного завдання слід, що нам необхідно спроектувати активний фільтр верхніх частот. Фільтр повинен бути заснований на інтегральному операційному підсилювачі.

Основні параметри фільтра наступні:

  1. Частота зрізу: f 0 = 1000 Гц,

  2. Коефіцієнт передачі в смузі пропускання: К 0 = 5,

  3. Нахил АЧХ в смузі обмеження: n = 40 дБ / дек.,

  4. Нерівномірність АЧХ в смузі пропускання: ΔК = 20 дБ

Аналізуючи ці параметри, видно, що для їх виконання досить реалізації фільтру верхніх частот другого порядку.

Найбільш зручною для розрахунку фільтра з зазначеними параметрами є схема фільтра верхніх частот з многопетлевой зворотним зв'язком, на основі одного операційного підсилювача з нескінченним коефіцієнтом підсилення. Така схема забезпечує нахил АЧХ в смузі пропускання 40 дБ / дек.

Основною перевагою даної схеми є відносно невелика чутливість характеристик фільтра до відхилень значень елементів.

2.2 Синтез схеми і розрахунок елементів фільтра

Для синтезу заданого фільтра, перш за все, необхідно визначити його передавальну функцію.

Узагальнена передатна функція по напрузі фільтра верхніх частот другого порядку має вигляд

(2.1)

У цьому виразі Н 0 - коефіцієнт передачі на нескінченно великій частоті, ω n - власна частота, Q-добротність.

(2.2)

Для схеми фільтра з многопетлевой зворотним зв'язком передатна функція по напрузі має вигляд (враховуємо що К прагнути до ∞):

(2.3)

де Y 1 = sC 1, Y 2 = sC 2, Y 3 = sC 3, Y 5 = G 5, Y 6 = G 6. Передавальна функція фільтра з многопетлевой зворотним зв'язком приймає вигляд:

(2.4)

Її можна представити у вигляді

(2.5)

Прирівнюючи (2.4) та (2.5), отримуємо

; (2.6)

; (2.7)

k 0 = . (2.8)

Знаючи, що з (2.7) отримуємо:

(2.9)

При C 2 = C 3 = C і R 1 = R 2 = R отримаємо:

(2.10)

Для реалізації максимально плоскою характеристики треба поставити З 1 = З 3 = З , Тоді інші компоненти схеми можна розрахувати за формулами:

(2.11)

Синтез заданого фільтра почнемо з вибору операційного підсилювача. Операційний підсилювач вибирається з умови

(2.12)

Для нашого випадку кГц.

Виходячи з цієї умови, вибираємо операційний підсилювач К140УД7.

Використовуючи вищеописану процедуру синтезу підбираємо елементи фільтру.

Задаємо З 1 = З 3 = З = 62 пФ, тоді згідно (2.11) отримуємо:

Для нормальної роботи фільтра отримані опору повинні відповідати умовам:

(2.13)

Для операційного підсилювача К140УД7:

R вх ≥ 0,4 МОм

R вих ≈ 200 Ом

Тоді граничні опору рівні:

Як ми бачимо, розраховані опору задовольняють умові (2.13).

3. Розрахунок АЧХ і ФЧХ фільтра на ЕОМ

У попередній частині ми розрахували параметри фільтру, які забезпечили б визначені параметри фільтра, проте в реальності ми не можемо взяти резистори і конденсатори з номіналами точно відповідними розрахованим, так як необхідно (і більш раціонально) вибирати елементи з сучасної елементної бази зі стандартними номіналами.

Перш за все нам необхідно вибрати стандартні резистори і конденсатори, з номінальними значеннями, максимально наближеними до розрахованим.

З існуючої елементної бази можна вибрати такі, найближчими за номіналами, елементи:

Конденсатори С 1, С 3:

К10-17-1-50 В-62 пФ ± 5%-В ОЖО.398.137ТУ;

Конденсатор З 2:

К10-17-1-50 В-12 пФ ± 5%-В ОЖО.398.137ТУ;

Резистор R 5:

МЛТ-1-2, 4ком ± 2% ОЖО.467.157ТУ;

Резистор R 6:

МЛТ-1-20кОм ± 2% ОЖО.467.157ТУ.

При зміні параметрів елементів задана амплітудно-частотна характеристика фільтра змінитися, крім того, характеристика може змінитися через похибки, що вносяться реальними елементами.

Для оцінки реальних параметрів фільтра можна провести розрахунок фільтра на ЕОМ.

В даний час існує багато комп'ютерних програм, що дозволяють зробити віртуальне проектування електричних схем будь-якої складності. До таких програм відносяться Excel Eda, Electronics Workbench, OrCAD. Ці програми дозволяють зробити розрахунок схеми по постійному струму, розрахунок частотних характеристик, розрахунок перехідних процесів, Фур'є-аналіз, аналіз спектру внутрішніх шумів, аналіз нелінійних і інтермодуляціонних спотворень, багатоваріантний аналіз, температурні випробування схеми, розрахунок відносної чутливості характеристик схеми до змін параметрів обраного компонента , розрахунок на найгірший випадок і інші види аналізу.

Для перевірки основних параметрів фільтра верхніх частот досить провести розрахунок АЧХ і ФЧХ фільтра. Для цього будуємо на ЕОМ схему фільтра з вишеопределеннимі параметрами і робимо аналіз.

Отримані АЧХ і ФЧХ наведено у додатку.

Висновок

У ході виконання даного курсового проекту був побудований активний фільтр верхніх частот на інтегральному операційному підсилювачі. Прийнято рішення проектувати фільтр другого порядку. Розглянуто аналогічні фільтри і обрана схема фільтра найбільш підходяща для умов, зазначених у ТЗ. Такою схемою є схема з многопетлевой зворотним зв'язком на підсилювачі з нескінченно великим коефіцієнтом підсилення. Проведено синтез елементів фільтра.

З сучасної елементної бази обрані такі елементи фільтру: резистори типу МЛТ-1, конденсатори типу К10-17-1, операційний підсилювач К140УД7.

За допомогою засобів ЕОМ проведений аналіз отриманої схеми, побудовані її АЧХ і ФЧХ. З аналізу частотних характеристик визначені такі параметри, як частота зрізу, складова 1014,5 Гц, і коефіцієнт передачі - 4,95. Ці значення близькі до заданих, що дозволяє сказати, що синтез фільтра проведений вірно. Невеликі відхилення параметрів пояснюються не ідеальністю компонентів фільтра, неможливістю елементів з номіналами, точно відповідними розрахованим.

Перелік посилань

1. Розрахунок електронних схем, під ред. Ізьюровой Н.І. - М.: Радіо і зв'язок, 2007.-386с.

2. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Є. Введення в теорію і розрахунок активних фільтрів. - М.: Радіо і зв'язок, 2004.-384с.

3. Резистори, конденсатори, трансформатори: справ. / М.М. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко. - Мн.: Білорусь, 1994.-591с.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Курсова
62.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Проектування активних фільтрів з використанням активних резонаторів
Генератор гармонійних коливань на операційних підсилювачах
Проектування і конструювання фільтрів на поверхневих акустичних хвилях
Основи проектування інтегральних мікросхем широкосмугового підсилювача
Проектування гібридних інтегральних мікросхем і розрахунок елементів вузлів детектора НВЧ-сигналів
Проектування гібридних інтегральних мікросхем і розрахунок елементів вузлів детектора НВЧ сигналів
Дослідження зворотного зв`язку у підсилювачах
Розрахунок електричних фільтрів
Аналіз і синтез електричних фільтрів
© Усі права захищені
написати до нас