Тема 8. Активні rc-фільтри (20 годин )

Активний RC-фільтр. Переваги та вади активного фільтра (АФ). АЧХ фільтра та його властивості.

Фільтри Баттерворта, Чебишева, Бесселя та їх схемотехніка: Саллена-Кея, з багатопетльовим зворотним зв’язком, на основі конверторів повного опору, універсальний. Каскадне з’єднання ланок. Процедури розрахунку компонентів фільтрів і їх вибір.

Література: [1, с.277…292].

Методичні вказівки. Перевірка знань за даною темою укладається в наведенні схем і поясненні принципу їх роботи.

Аналогові активні фільтри ARC обробляють аналогові сигнали. Їх синтез та виготовлення на сучасному стані не пов’язані з принциповими труднощами, але можливості забезпечення серійноспроможності, точності та схемної надійності досить обмежені.

АФ математично описують передаточною функцією. Типам АЧХ надано назви поліномів передаточних функцій. Кожен тип АЧХ реалізують певною кількістю полюсів (RC-кіл) згідно з заданою крутістю спаду ФЧХ. Найвідомішими є апроксимації Баттерворта, Бесселя, Чебишева.

Параметри фільтра є такі: коефіцієнт загасання визначає крутість перехідної ділянки АЧХ і викид у межах СП, добротність Q=1/.

Розрахунок АФ здійснюється у два етапи: 1- визначення числа ланок і коефіцієнтів їх передаточних функцій (ескізна частина розрахунку); 2- розрахунок величин резисторів і ємностей кожної ланки (технічний проект).

Смугові фільтри, якщо потрібний порядок фільтра n>2, здійснюють із допомогою каскадного з’єднання ланок. Завдяки дуже великим вхідним та малим вихідним опорам кожної ланки забезпечується відсутність спотворень заданої передаточної та можливість незалежного регулювання кожної ланки.

Проектуючи активні фільтри, значно зручніше використовувати ОП з уніполярними транзисторами на вході (наприклад, ОП МАС 155, МАС 156, МАС 157 або гібридні ОП WSH 226, WSH 117, WSH 217), оскільки у цих підсилювачах вхідні струми незначні – близько 30 пА, тому їх компенсація стає непотрібною.

Крім високого вхідного й низького вихідного опорів та необхідних частотних властивостей ОП повинен мати малі напругу та струм зміщення, тому що схема, охоплена глибоким зворотним зв’язком за постійним струмом.

Контрольні запитання та завдання

1. Назвіть чотири переваги АФ над пасивними.

2. Назвіть дві основні вади АФ.

3. Нарисуйте АЧХ для ФНЧ, ФВЧ і СФ. Визначити на цих рисунках смугу пропускання, смугу затримки, перехідну ділянку.

4. Як отримати передаточні функції фільтрів?

5. Коли виникає необхідність у каскадному з’єднанні ланок фільтра?

7. Яка основна фізична властивість кола відображається у графі провідностей ОП з НЗЗ?

7. На якої властивості ОП з ЗЗ базується техніка застосування ОП?

8. Які характеристики ОП повинні бути для виконання функції інверсії повних опорів?

9. Поясніть роботу ОП у схемах інтегратора та диференціатора, Як створити інтегрувальний суматор?

10. Як визначити кількість ланок активного фільтра?

11. Як здійснити налагодження активного фільтра за частотою? Як змінити смугу пропускання, підсилення?

12. Яку ІС операційного підсилювача вибрати для реалізації конкретного активного фільтра?

Закінчивши вивчення цього розділу та відповівши на контрольні запитання, студент повинен вміти:

1. Вказати основні властивості фільтрів Баттерворта, Чебишева, Бесселя.

2. Перелічити переваги та вади активних фільтрів.

3. Розрахувати параметри елементів фільтра та вибрати тип ОП.

4. Нарисувати по пам’яті схему будь якого фільтра.

5. Виконати лабораторну роботу “Розрахунок, проектування та дослід-ження смугових фільтрів на операційних підсилювачах” або “Синтез та моделювання активних фільтрів на операційних підсилювачах “. Мета: студент повинен вміти розрахувати величини компонентів, зібрати схеми АФ та виміряти їх частотні характеристики, розглянути та обсудити всі можливі причини будь яких невідповідностей між виміряними та розрахованими даними.

РГР

Розрахунково-графічна робота (РГР) – самостійна робота студента, виконується у 6 семестрі і являється заключним етапом вивчення дисципліни. Мета РГР – систематизувати та закріпити теоретичні знання студентів у галузі функціональних підсилювальних та перетворювальних й інших аналогових пристроїв, навчити студентів самостійно користуватися технічною літературою, застосувати отримані знання для вирішення конкретних інженерних задач.

РГР виконується на рівні самостійної творчої праці по темі, в процесі якої після критичного аналізу типових рішень пропонується найбільш раціональне вирішення розробки. Технічне завдання (ТЗ) наведено у таблиці 7.1.

Тематика РГР підпорядкована розробці (синтезу) аналогових активних RC-фільтрів, котра найчастіше зустрічається в інженерній практиці спеціаліста-радиста. Активні фільтри поєднують переваги функціональних аналогових вузлів і можливості мікроелектроніки: інтегральні операційні підсилювачі, які є не відмінною частиною активних фільтрів, суттєво урізноманітнюють схемотехніку фільтрів.

Варіант завдання містить загальні характеристики, необхідні для проектування та розрахунку активного RC-фільтра. Необхідно проаналізувати ТЗ, знайти в літературі аналогічні розробки, навести і порівняти варіанти схем, обґрунтувати ту схему, яка буде далі розраховуватися.

В роботі обов’язково повинна бути наведена методика налагодження та регулювання розробленого пристрою та опис схеми.

Пояснювальна записка оформляється згідно з вимогами ДСТУ 3008-95 і повинна містити текстовий матеріал об’ємом 20…25 аркушів формату А4 рукописного тексту та креслення принципової електричної схеми розробленого пристрою.

Таблиця 7.1 - Варіанти технічних завдань на виконання курсової роботи	Забезпечити:	б) невеликий діапазон номіналів елементів		+		+			+		+		+	+		+		Примітка: Б - апроксимація поліномом Баттерворта; Ч - апроксимація поліномом Чебишева.
		а) невелику чутливість до відхилення елементів	+		+		+	+		+		+			+		+
	Найменування параметру	Ампл. вх. сигн. Umвх, мВ	100	200	150	180	210	200	160	310	270	260	90	130	140	170	240
		Коефіцієнт загасання Кз, дБ	+5	-20	0	-10	-10	5	5	-10	-10	-5	0	-15	-10	-6	0
		Коефіцієнт передачі Кмін, дБ	27	9	17	14	7	23	24	23	15	12	19	17	13	11	17
		Коефіцієнт передачі Кмакс, дБ	30	12	20	15	10	26	25	24	18	15	20	20	16	14	20
		Частота загасання fз , кГц	6,0	1,7	1,6	0,5	14,0	4,0	3,3	1,2	22,0	0,2	1,2	0,1	10,2	3,9	18,0
		Частота зрізу fп , кГц	3,4	3,4	1,0	1,0	10,0	10,0	2,0	2,0	15,0	0,5	0,8	0,2	6,8	6,8	12,0
		Засіб апрокси-мації	Б	Б	Ч	Ч	Б	Б	Ч	Ч	Б	Б	Ч	Ч	Б	Б	Ч
		Тип фільтра	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ	ФВЧ	ФНЧ
	Номер варі-анту		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15

Пояснювальна записка повинна містити титульний лист, технічне завдання на РГР, зміст, основну частину, додатки та перелік посилань.

Приклад титульної сторінки, реферату та переліку елементів наведені в додатках А, Б, В. Для оформлення змісту, переліку посилань можна скористатись цими вказівками.

Основна частина повинна містити такі розділи:

Вступ

1 Огляд аналогічних схем та особливості проектування фільтрів

2 Вибір схеми фільтра

3 Розрахунок елементів схеми

4 Методика налагодження та регулювання розробленого фільтра

Висновки

У вступі стисло викладається оцінка становища проблеми, актуальність даної роботи, мета та галузь застосування. Вступ розташовується на окремої сторінці.

В розділі 1 треба пояснити призначення фільтрів, навести класифікацію фільтрів та привести 3…4 схеми фільтрів, описаних в наукових та учбових виданнях.

В розділі 2 обгрунтовується схема заданого фільтра та вимоги до АЧХ фільтра, що проектується, приводиться схема принципова електрична фільтра, який буде розраховуватися, вибирається методика розрахунку.

В розділі 3 розраховуються елементи вибраної схеми та вибирається тип операційних підсилювачів. Рекомендується створити підрозділи.

Розраховані пасивні та вибрані активні елементи схеми оформляються додатком до пояснювальної записки на окремому аркуші у вигляді таблиці (див. додаток В). Елементи записують групами у алфавітному порядку.

В розділі 4 освітлюються основні практичні питання виготовлення та описується методика налагоджування розрахованого фільтра.

В висновках треба навести оцінку отриманих результатів розрахунку, переваги та вади використання схем фільтрів.

Креслення електричної принципової схеми складається з умовних графічних, цифрових і літерних позначень, пристроїв, функціональних груп і ліній електричних зв'язків, які виконуються товщиною 0,2…0,4 мм. Відстань між ними повинна складати не менше за 5 мм.

Позиційні позначення елементів складаються з двох частин, що записуються без розділових знаків чи прогалин: R2, C3, VT13, SA1, ДА7 таке інше.

Порядкові номера елементам схеми надають починаючи з одиниці зверху униз, зліва направо і записують зверху або праворуч від графічних позначень елементів.

Вхідні та вихідні кола схем частіше закінчуються контактами роз’ємних з’єднувачів.

При зображенні елементів, параметри яких підбираються при регулюванні, ставлять зірочку біля позначень на схемі й в переліку елементів.