2.5.4. Полосно-подавляющие фильтры

Передаточную функцию полосно-подавляющего фильтра можно получить из передаточной функции ФНЧ с помощью преобразования в частотной области заменой:

(2.42)

Здесь ΔΩ=1/Q, как и ранее, нормированная полоса частот. В результате такого преобразования АЧХ фильтра нижних частот из области 0<Ω<1 переходит в область пропускаемых частот 0<Ω<ΔΩ/2 полосно-подавляющего фильтра. Кроме того, она зеркально отображается в логарифмическом масштабе относительно резонансной частоты. Для резонансной частоты Ω=1 значение передаточной функции равно нулю. Как и в случае полосовых фильтров, при преобразовании порядок фильтра удваивается.

Применив преобразование (2.42) к передаточной функции ФНЧ первого порядка, получим:

(2.43)

Подставив вместо S в (2.43) ω/ω_ср, получим частотную характеристику полосно-подавляю­щего фильтра.

Для выборочного подавления составляющих определенных частот необходим фильтр, коэффициент передачи которого на резонансной частоте равен нулю, а для нижних и верхних частот имеет постоянное значение. Такой фильтр называют заграждающим или режекторным. Оценка избирательности характеризуется добротностью подавления сигнала Q= =1/ΔΩ, где ΔΩ — полоса частот, на краях которой коэффициент передачи падает на 3 дБ. Чем больше добротность фильтра, тем быстрее возрастает коэффициент передачи при удалении от резонансной частоты.

3. Аналоговая обработка сигналов

3.1. Операционные усилители. Основные свойства

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, выполненный в виде интегральной схемы, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов.

Условное графическое обозначение операционного усилителя приведено на рис. 3.1. Разумеется, есть еще выводы питания (±E_п) и выводы балансировки (коррекции нуля — NC) и частотной коррекции — FC, хотя последнее встречается все реже — у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ — инвертирующий (–) и неинвертирующий (+) названы так по присущим им свойствам. При подаче сигнала на инвертирующий вход (U_вх.1) на выходе получается инвертированный сигнал, то есть сдвинутый по фазе на 180º — зеркальный; при подаче же сигнал на неинвертирующий вход (U_вх.2) на выходе получается фазово не измененный сигнал. В области низких частот выходное напряжение U_вых находится в той же фазе, что и разность входных напряжений, именуемая дифференциальным входным сигналом: U_д=U_неинв–U_инв.

U _вх.1

U_вх.2 U_вых

а) б)

Рис. 3.1. Условное графическое обозначение операционного усилителя без дополнительного поля (а) и с дополнительными полями (б)

Рис. 3.2. Подключение ОУ к внешним цепям

Подключение ОУ к источникам питания и источникам входных сигналов показано на рис. 3.2. Как правило, стандартные ОУ работают с напряжениями питания ±3—±18 В.

Схема замещения ОУ приведена на рис. 3.3.

Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

K_U=U_вых/U_вх.

Выпускаемые операционные усилители можно разделить на несколько групп по совокупности их параметров.

1. 

   Рис. 3.3. Схема замещения ОУ

   Универсальные или общего применения (K_U=10³—10⁵, f_пр=1—10 МГц, U_см>0,5 мВ) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1 %. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров.

2. Прецизионные или инструментальные (K_U=10⁵—10⁶, U_см<0,5 мВ) применяются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

3. Быстродействующие или широкополосные (V_{Uвых. макс}>20 В/мкс, f_пр>16 МГц) используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой предельной частотой, а по остальным параметрам уступают ОУ общего назначения.

4. Микромощные ОУ(I_потр<1 мА) необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована, например, в приборах с автономным питанием.

5. ОУ с малым входным током (I_вх<100 пА) используют входной каскад на полевых транзисторах.

1. Многоканальные ОУ отличаются тем, что в одном корпусе размещены два или четыре ОУ, и служат для улучшения массогабаритных параметров и снижения энергопотребления аппаратуры.

6. Мощные и высоковольтные ОУ (I_вых>100 мА, U_вых>15 В) — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах.

8. ОУ с гальванической развязкой.