5.5 Опис робочого місця

Процес моделювання активних фільтрів здійснюється за допомогою програми Electronics Workbench (EWB) при багатопрофільному використанні персонального комп’ютера.

5.6 Завдання та порядок виконання роботи

1. Підготувати для створення креслення схеми засобами програми EWB ескіз схеми фільтра, що досліджується, який був наданий індивідуально під час проведення практичного заняття, яке передує лабораторній роботі.

2. Розташувати на робочому полі EWB компоненти схеми та контрольно-вимірювальні прилади від бібліотек програми у відповідності з ескізом. З’єднати виводи компонентів та затискачі приладів дротами (приклад наведено на рис. 5.6).

3. До входу 1 підключити джерело змінної напруги Uеф, f,  (наприклад: 1,0 В; 10 кГц; +00од.) .

4. Отримати АЧХ досліджуваної схеми та порівняти її з розрахованою.

5. Встановити залежність АЧХ фільтра від опору резисторів схеми.

6. Встановити межі стійкої роботи схеми змінюючи опір R4.

7. Занести результати дослідження у звіт.

Рисунок 5.6 - Схема дослідження активного СФ

5.7 Зміст звіту

Звіт повинен містити такі дані: мету роботи; схеми, що досліджуються; результати експериментів (таблиці та осцилограми вхідних та вихідних сигналів); висновки та критичну оцінку одержаних результатів; пропозиції щодо поліпшення спеціальних параметрів фільтра.

5.8 Контрольні запитання та завдання

1. Чому виникають труднощі при використанні активних фільтрів для обробки “довгих” повідомлень (частот, нижчих від сотень герц)?

2. Назвіть чотири типи підсилювачів, які використовують в активних фільтрах.

3. Чому синтез фільтра спрощується, якщо взяти R1=R2=R та С1=С2=С?

4. При яких умовах при реалізації фільтрів різного типу слід змінювати коефіцієнт передачі К?

5. Що є принциповим недоліком ФНЧ на рис. 5.3 ?

6. За результатами дослідження обгрунтувати типи елементів (резистори, конденсатори) у відповідних гілках схеми для реалізації ФНЧ, ФВЧ, СФ, РФ (ланки другого порядку).

7. Запропонуйте спосіб зміни смуги прозорості фільтра ФНЧ?

8. Які параметри ОП слід ураховувати для використання у фільтрах?

6 Дослідження аналогових пристроїв обробки сигналів на операційних підсилювачах

6.1 Мета роботи

Розробка та оцінка якісних показників аналогових пристроїв обробки сигналів на операційних підсилювачах методом математичного моделювання.

6.2 Методичні вказівки й організація самостійної роботи

6.2.1 Операційні підсилювачі

Інтегральні операційні підсилювачі (ОП) - найбільш застосовувані аналогові мікроелектронні пристрої. Велике Rвх і мале Rвих, великий К_U, наявність двох входів, порівняно велике Uвих обох полярностей – ось ті гідності ОП, використовуючи котрі можна виконати математичні операції над сигналами. Сучасні ОП близькі до ідеальних схем, коефіцієнт підсилення яких у безкінечній смузі частот нескінченно великий, вхідний опір нескінченно великий, а вихідний - нескінченно малий. Як правило, вдається одержати одну з характеристик, близьку до ідеальної, але за рахунок погіршення інших.

Під ОП прийнято розуміти мікросхему, що являє собою підсилювач постійного струму. На базі ОП створюються пристрої, характеристики яких залежать тільки від властивостей кола ЗЗ. Без ЗЗ вони практично не застосовуються.

Схема ОП побудована за схемою прямого підсилення з двома входами (прямого та інверсного) і одним двополярним виходом. Звичайно ОП містить 3-4 каскади. Першим каскадом є ДК, другим - підсилювач напруги (для одержання більшого підсилення), потім включається каскад зміщення рівня Uвих в область негативних значень і емітерний повторювач.

Живлення ОП організується від двох джерел. Це дозволяє одержати на виході нуль при нульовому диференціальному (різницевому) вхідному сигналі.

Варто запам'ятати:

- при подачі напруги сигналу на вхід, що не інвертує, і заземленому вході, що інвертує, вихідна напруга змінюється у фазі з вхідною, тобто, Uвих=0 при Uвх=0, а при подачі постійної напруги на вхід, що інвертує, рівень напруги на виході зміщується на величину цієї напруги.

- при подачі напруги сигналу на вхід, що інвертує, і заземленому вході, що не інвертує, фаза вихідної напруги протилежна вхідному (Uвих=0 при Uвх=0), а при подачі постійної напруги на вхід, що не інвертує, рівень напруги на виході зміщується на величину цієї напруги.

Оскільки в режимі підсилення ОП має великий коефіцієнт підсилення ( 10⁴…10⁶), то лінійна залежність вихід-вхід зберігається у вузькому діапазоні вхідного сигналу (0,010,1 мВ). При виході з цього діапазону настає обмеження.

6.2.2 Схеми вмикання ОП

Для побудови аналогових пристроїв використовується три базових схеми вмикання ОП (рис. 6.1).

Підсилювач на рис. 6.1а називається інвертуючим. Вважаючи ОП близьким до ідеального підсилювача (Rвх _д = ∞, Rвих = 0, К_д = ∞), можна вважати, що Uвх_д=0 і Iвх_д=0. Отже, струми, що протікають через R1 і R3, рівні, тоді уся вхідна напруга падає на R1, а вихідна - на R3 (резистор зворотного зв’язку), тому

Uвх/R1 = Uвих/R3,

а коефіцієнт підсилення підсилювача, що інвертує,

K_U = -Uвих/Uвх = -R3/R1,

вхідний опір Rвх _β = R1 (він малий і це вада схеми). Знак мінус у формулі K_U означає, що сигнали на вході і виході протилежні. У діапазоні частот коефіцієнт передачі K(jω) = K_U(1+ jω /ω_гр.), де ω_гр - гранична частота ОП на рівні 0, 707 K_U.

Рисунок 6.1 - Схеми включення ОП

Підсилювач на рис. 6.1б називається неінвертуючим. Його коефіцієнт підсилення К_U = 1 + R3/R1, а Rвх=Rвх_сф (Rвх_сф - синфазний вхідний опір між землею і замкнутими входами, він дуже великий).

На рис 6.1в наведений повторювач напруги, що не інвертує (R3=0, R1=0). Фази усіх трьох напруг Uвх, Uвх_.д, Uвих однакові. Коефіцієнт передачі K_U = Uвих/Uвх = К_д(1+К_д), де К_д - коефіцієнт підсилення диференціальної напруги,

К_д = Uвих/Uвх_{. д.}; Rвх = Rвх_.д (1 + К_д)||Rвх_сф.

Підсилювач з одиничним коефіцієнтом підсилення називається буфером.

Точнісні характеристики схеми визначаються такими параметрами ОП як зміщення нуля і паразитні вхідні струми.

Вихідна напруга, викликана напругою зсуву нуля U₀, для підсилювача, що інвертує, дорівнює Uвих₀=U₀(1+R3/R1), а викликане вхідними струмами Iвх і їхньою різницею Iд відповідно ΔUвих₀ = Iвх (R2 - R1 || R3 || Rвх), ΔUвих₀ = I_дR3.

6.2.3 Аналогові обчислювальні пристрої

До базових аналогових обчислювальних пристроїв належать суматор, інтегратор і диференціатор. Як правило, вони виконуються на базі ОП за схемою підсилювача, що інвертує, як схеми максимальної точності.

На рис 6.2 наведена схема двовходового суматора. До входів ОП підімкнені резистори R1 і R2, що зважують. Вхід, що інвертує, тепер одержує статус вузла, що сумує усі вхідні струми та струм зворотного зв'язку. Як і в звичайному підсилювачі, що інвертує, напруга на вході дорівнює нулю внаслідок дії НЗЗ, а від так і струм, що втікає в ОП, теж дорівнює нулю. Отже, I₁ = U₁/R1 і I₂ = U₂/R2, а сума I₁+ I₂ врівноважує струм ЗЗ, а тоді напруга на виході суматора Uвих_С = (I₁+ I₂)R3 = I_ззR3, або в загальному виді Uвих_С = -R3(U1/R1 + U2/R2 +…+ Un/Rn).

На рис. 6.3 наведенасхема інтегратора, вихідний сигнал якого пропорційнийінтегралувід вхідного сигналу. У цій схемі конденсатор С вмикається між виходом і вузлом, щосумує,і тепернапругаUвихєлінійною функцією часу: Uвих_і= t Uвх /RC. ЯкщовхіднанапругаUвх буде прикладена тривалий час, товихіднанапруга Uвих змінюватиметься доти, доки не досягнерозмірунапруги насиченняОП(запостійнимструмом НЗЗ відсутній).

Рисунок 6.2 – Схема суматора Рисунок 6.3 – Схема інтегратора

На практиці робота інтегратора відбувається в три етапи (рис. 6.4а): запровадження початкових умов (ключ S1 замикається на визначений час); заряд конденсатора С до напруги Uc=Uвх1R3/R1; потім процес інтегрування (ключ S2 замикається на визначений час) і нарешті інтегратор переходить в режим збереження.

На рис.6.4б наведена схема диференціатора, вихідний сигнал якого пропорційний швидкості зміни вхідного сигналу: Uвих_д = -RC(dUвх/dt).

Резистор R1 згладжує АЧХ диференціатора, запобігає виникненню паразитних коливань

,

де 2πF₀K₀ - добуток коефіцієнта підсилення на ширину смуги пропускання ОП (добротність ОП).

Для побудови логарифмічного підсилювача частіше усього використовується пряма гілка вольтамперної характеристики p-n переходу:

I = I₀ [exp (U/U_t) - 1],

де U_t - температурний потенціал переходу, рівний при кімнатній температурі 26 мВ; I₀ – зворотний струм. Якщо забезпечити напругу на діоді Uвх >> 26 мВ, то одиницею можна зневажити, тоді U = Ut (ln I – ln I₀). Завдяки тому, що I = Uвх/R (рис. 6.4в), вихідна напруга підсилювача дорівнює Uвих= -U_t ln Uвх/I₀R. Опір резистора для забезпечення режиму роботи діода в області мікрострумів необхідно вибирати великого розміру (при малій вхідній напрузі), наприклад, R = 10 МОм.

Рисунок 6.4 - Схеми аналогових пристроїв на ОП

Для антилогарифмічного підсилювача діод і резистор змінюються місцями і тоді Uвих= -I₀Rexp(Uвх / U_t).

6.2.4 Вибір типу операційних підсилювачів

У програмі можуть бути використані дві моделі ОП: лінійна модель не має клем для підключення джерел живлення (їхню напругу можна задати побічно через значення максимальної вихідної напруги Vsw- і Vsw₊); нелінійна модель - має клеми для підключення джерел живлення. Типи використовуваних ОП зазначені у вихідних даних на експериментальні дослідження.

Значення параметрів ОП в програмі EWB 4.1 можуть бути відредаговані в діалоговому вікні. У лабораторній роботі використовуються такі параметри:

- позитивне джерело енергії, B (positive power supply [Vcc]);

- негативне джерело енергії, B (negative power supply [Vee]);

- коефіцієнт підсилення напруги, KU, (open-loop gain [A]) - відношення вихідної напруги до вхідного;

- частота одиничного посилення f1, Гц (unity-gain bandwidth f[FU]) - значення частоти вхідного сигналу, при котрому K_U зменшується до одиниці. f1 визначає смугу пропускання ОП;

- максимальна вихідна напруга +Uвих_макс, В (positive voltage swing, [Vsw₊]), і -Uвих_макс, В (negative voltage swing), [Vsw-],);

- напруга зміщення нуля Uзм, В (input offset voltage[Vos])- напруга, яку потрібно подати на вхід ОП, щоб вихідна напруга рівнялася нулю;

- вхідний струм Iвх, А (input bias current, [Ibs])- струм через вхідні затискачі ОП;

- різниця вхідних токів Iвх_.д, А (input offset current [Ios])- досягає 10…20% від Iвх, створює на вході ОП різницю потенціалів, що призводять до зміщення нуля на виході;

- коефіцієнт послаблення синфазного сигналу, дБ (common mode rejection ratio, [CMMR]) - відношення коефіцієнта підсилення напруги, прикладеної між входами ОП, до коефіцієнта підсилення напруги, прикладеного між загальною шиною і кожним входом;

- вхідний опір Rвх, Ом (input resistance [Ri]);

• вихідний опір Rвих, Ом (output resistance [Ro]).

Таблица 6.1 - Основні типи операційних підсилювачів

ОП	Виробник	Аналог	Призначення
AD507	Analog Devices	154УД2	Швидкодіючий ОП
AD509	Analog Devices	154УД3	Швидкодіючий ОП
AD513	Analog Devices	КР577УД1	Швидкодіючий ОП
CA3140	RCA	КР1409УД1	ОП з польовим транзистором на вході
LF157	NS	К140УД23	Швидкодіючий із малим Iвх
LF356	NS	К140УД22	Широкосмуговий ОП
LM143	NCS	К1408УД1	Високовольтний ОП
LM108	NCS	К140УД14	Прецизійний ОП
MC1456	Motorola	КР140УД6	ОП з вмонтованою корекцією