Анализ технического задания
Из задания видно, что необходимо обеспечить спад АЧХ по нижней и верхней частоте. Следовательно, необходимо использовать фильтры нижних и верхних частот (ФНЧ и ФВЧ). Так как спад АЧХ и по нижней и по верхней частоте равен дб/дек, то ясно, что необходимо использовать фильтры первого порядка. Также нельзя забывать о том, что необходимо обеспечить фиксированное входное сопротивление, величиной в 100 Ом. На основе этих соображений составляется структурная схема усилителя переменного тока. Она представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Структурная схема усилителя переменного тока где П – предусилитель, ФНЧ – фильтр нижних частот, ФВЧ – фильтр верхних частот
Разработка принципиальной схемы и расчет её параметров
5.1. Разработка принципиальной схемы
Рекомендуемая методика расчета показана на примере.
Исходя из структурной схемы усилителителей переменного тока необходимо разработать принципиальную схему.
Предусилитель представляет собой неинвертирующий масштабный усилитель, охваченный единичной обратной связью. То есть его коэффициент усиления K1 = 1. Параллельно его входу стоит резистор R1, Ом. С помощью этого резистора обеспечивается заданное фиксированное входное сопротивление. Выход предусилителя соединён со входом ФНЧ. ФНЧ беспрепятственно пропускает сигнал с частотой, ниже 500 Гц и осуществляет спад АЧХ на нижних пределов частот дб/дек на частотах, выше 500 Гц. Выход ФНЧ соединен со входом ФВЧ. ФВЧ беспрепятственно пропускает сигнал с частотой, выше определенных частот в Гц и осуществляет спад АЧХ на верхний предел дб/дек на частотах, ниже нижних пределов частот Гц.
В данной курсовой работе необходимо применить активные фильтры на операционных усилителях (ОУ). Активные фильтры обычно имеют один или несколько активных элементов (транзисторы и т.п.) и, в отличие от пассивных, имеют большую степень интеграции и могут использоваться на низких частотах (ниже 0,5 мГц) вследствие отсутствия в них катушек индуктивности.
Если в задании не указан вид АЧХ усилителя, то для реализации ФНЧ и ФВЧ применяются фильтры Баттерворта в других случаях, либо фильтры Бесселя либо Чебышева. Как уже говорилось ранее используются фильтры первого порядка.
Коэффициент усиления последовательно соединенных звеньев при этом соответственно перемножается.
5.2. Расчёт фильтра нижних частот
Методика расчёта ФНЧ подбирается по справочнику по активным фильтрам [1].
Коэффициент усиления звена (данного фильтра) согласно справочника выбирается равным единице. Схема ФНЧ с единичным коэффициентом усиления представлена на рис. 2. Элементы фильтров, параметры которых рассчитываются ниже, пронумерованы в соответствии с принципиальной схемой (рис. 3).
Из [1] выбирается коэффициент для звена первого порядка С. Если он равен 1, то значение ёмкости конденсатора фильтра рассчитывалось по следующей формуле:
(5.1)
где fв = 500 Гц - верхняя граница полосы пропускания.
Значение сопротивления резистора R2 рассчитывается по формуле:
(5.2)
где С = 1 – коэффициент для звена первого порядка [1];
С1 = 0,02×10-6 Ф – емкость конденсатора фильтра, рассчитанная по формуле (3.1);
fв = 500 Гц - верхняя граница полосы пропускания.
Из ряда емкостей выбирается ёмкость в нФ, а из ряда сопротивлений значение R1 = в кОм.
На этом расчёт ФНЧ заканчивается.