6.1.4 Активные фильтры на оу

Активными фильтрами принято называть схемы, состоящие из резисторов, конденсаторов и операционных усилителей в качестве активных элементов. За счет высокого входного сопротивления ОУ (единицы МГОм), его коэффициента усиления (10⁴-10⁶) и малого выходного сопротивления (десятки Ом) удалось резко повысить качественные показатели активных фильтров при совместном применении с пассивными RC-цепями.

Различают фильтры нижних частот, верхних частот и полосовые фильтры. Основные параметры фильтров можно определить по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ). Основными параметрами фильтров нижних и верхних частот являются коэффициент передачи в полосе пропускания К₀, частота срезаf_c, соответствующая уровню 0,707К₀, а также наклон АЧХ в полосе ограничения и неравномерность в полосе пропускания. Для полосовых фильтров параметрами являются коэффициент передачиК₀на частоте резонансаf₀и добротность, где ∆f- полоса пропускания на уровне 0,707К₀(рис.6.5,б).

В активных фильтрах частотно-зависимые RC-цепи могут включаться раздельно на входе ОУ, в цепь обратной связи, либо совместно. На рис.6.4 приведены простейшие схемы активных фильтров нижних и высоких частот и их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ).

Приведенные схемы являются фильтрами первого порядкаи имеют наклон АЧХ в полосе ограничения 20 дБ/дек.

При объединении фильтров нижних и высоких частот (рис.6.4,а,в) можно получить полосовой фильтр, приведенный на рис.6.5,а.

Приведем расчетные соотношения для рассмотренных активных фильтров [5]. Частота среза для фильтра нижних частот

,

(6.11)

для фильтра высоких частот

,

(6.12)

Резонансная частота полосового фильтра

.

(6.13)

Рисунок 6.4 - Фильтр нижних частот (а) и его АЧХ (б); фильтр высоких частот (в) и его АЧХ (г)

Рисунок 6.5. Активный полосовой фильтр (а) и его АЧХ (б)

Коэффициенты передачи в полосе пропускания для фильтров нижних и верхних частот

,

(6.14)

для полосового фильтра

,

(6.15)

6.2 Описание схем эксперимента

В работе исследуются несколько аналоговых схем на операционных усилителях (ОУ). На рис.6.6,а приведена схема неинвертирующего усилителя с делителем R₁,R₂в цепи отрицательной обратной связи. На рис.6.6,б приведена схема инвертирующего сумматора на два входа. При замыкании ключаS₁происходит изменение коэффициента усиления сумматора. Данная схема предназначена также для исследования инвертирующего усилителя с использованием только одного входа сумматора.

Рисунок 6.6. Схемы неинвертирующего усилителя (а), инвертирующего сумматора(б) и активного фильтра (в)

Входные сигналы для обеих схем задаются от источников Е₁иЕ₂, которые устанавливаются с помощью ручек «Е₁» и «Е₂».

На рис.6.6,в приведена схема активного фильтра на ОУ, на которой с помощью коммутации ключей S₂иS₃можно реализовать три вида фильтров. Так, при разомкнутых ключах имеем фильтр верхних частот, при замыкании ключаS₃получаем полосовой фильтр, а при замыкании ключейS₂иS₃ - фильтр нижних частот. Частота входного сигнала задается переключателем «кГц(α)» и изменяется по амплитуде ручкой «Е_г».

Приведенные схемы имеют такое же изображение на накладной панели стенда с указанием номеров контрольных точек (соответственно рис.1, рис.2 и рис.3).

Данные схемы рис.6.6,а: R₁=10 кОм,R₂=20 кОм.

Данные схемы рис.6.6,б: R₁=R₂=10 кОм,R₃=R₄=50 кОм.

Данные схемы рис.6.6,в: R₁=R₂=6,8 кОм,С₁=С₂=0,022 мкФ

6.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции.

6.3.1 Исследование неинвертирующего усилителя (рис.6.6,а)

Снять передаточную характеристику усилителя . Соединить перемычкой гнездаХ2иХ5и изменить входное напряжение ручкой «Е₁» от максимального отрицательного до максимального положительного значения. Фиксировать входное и выходное напряжения на гнездахХ1иХ6с помощью цифрового вольтметра. Данные измерений занести в табл.6.1.

Таблица 6.1

Uвх, В
Uвых, B